基于MOS管串联开关的高压脉冲电源设计

郭 翔 ，江 磊 ，范 青

(1.合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥230088；2.安徽四创电子股份有限公司，安徽 合肥230088)

引言

根据客户要求，我公司研制了一款高压脉冲电源，该电源用于测试脉冲磁控管，要求输出－4 500 V的高压脉冲，并具有两种不同的脉冲宽度，具体要求如下。

1 技术指标要求

1.1 脉冲电源技术指标

输入电源：220 VAC50 Hz

输入相数：单相

输出电压：-4 500 V（连续可调）

输出峰值电流：10 A

输出脉冲宽度与输出频率：

脉冲工作状态 1： 0.5±10% μs/750±10%Hz（0.7电平处）

脉冲工作状态 2： 2.5±10% μs/250±10%Hz（0.7电平处）

工作限度：可连续工作

具有过流、过压、限流、限压等保护功能。

1.2 灯丝电源

输出电压：6.3 V±5%DC

输出电流：≥2 A

2 脉冲电源电路设计方案

由于该项目要求研制周期较紧，而体积要求较为宽松，因此我公司的设计方案尽量利用现有器件及成熟技术，高压电源为工频变压器升压的线性电源，控制电源、灯丝电源采用厂家标准产品。

该脉冲电源原理框图见图1。

工作原理如下：

交流电压220 V50 Hz输入后，分别送至高压电源、控制电源及灯丝电源。高压电源为线性电源，输出为最高1 300 V的直流高压 (通过调压器实现连续可调)。调制开关为4只MOS管IXFN32N120串联开关。脉冲电源的触发脉冲由触发电路产生，经控制电路、驱动电路放大隔离后输入至调制开关，调制开关导通，高压电源经调制开关向脉冲变压器初级放电，经1：4脉冲变压器放大后输出到磁控管负载，负载脉冲电压最高输出为－5 000 V。

控制电源为朝阳模块电源4NIC-K37.5，灯丝电源为朝阳模块电源4NIC-X30，灯丝电源工作即磁控管灯丝预热后开始计时，5 min后时间继电器闭合方可加高压。

2.1 高压电源

根据技术要求，该脉冲电源输出峰值功率为45 kW，但平均功率很低，按脉冲工作状态1计算，平均功率为17 W；按脉冲工作状态2计算，平均功率为28 W。因此高压电源按输出功率100 W设计，足以满足输出功率要求。

高压线性电源电路图见图2。

为便于电压调整，输入使用200 W调压器，经1:4.5电源变压器升压，整流滤波后输出直流高压。

高压电源输出电压、电流取样信号至控制电路，控制电路具有过压、过流保护功能，过压保护点为1 300 V，过流保护点为0.1 A，过压或过流任一故障出现后控制电路封锁触发电路信号，调制开关关断，高压电源无输出。

2.2 调制开关及均压网络

调制开关为4只MOS管串联的组合开关，电路图见图3。

MOS管型号为IXYS公司IXFN32N120，电压1 200 V，稳态电流32 A，脉冲电流128 A，4只MOS管串联后耐压达到4 800 V，该脉冲电源放电时，脉冲变压器初级的脉冲电压最大为1 300 V，脉冲电流40 A，该串联调制开关可完全满足要求。

对于串联运用的开关器件，均压电路是非常重要的。本高压脉冲电源采用一组串并结合的无源网络作为均压电路，网络由电阻、电容和瞬态抑制二极管TVS组成。

均压电阻1 MΩ：MOS管存在着漏电流的离散，特别在环境发生变化时，差异会更大，均压电阻可以减小由于器件漏电流所造成的静态阻抗的不均匀。此外，均压电阻可以起到放电电阻的作用。

均压电容1 000 pF:IXFN32N120MOS管的典型输出电容COSS=1 000 pF，该电容在不同的环境下也存在差异，均压电容并联以后，可以提高串联MOS管的等效输出电容的一致性。

TVS击穿电压900 V：在均压良好的情况下，单只 MOS管承受的工作电压为 300V，IXFN32N120MOS管的最高漏-源电压Vdss=1 100 V，而TVS的击穿电压有一定范围要求，因此选择900 V左右的瞬态抑制二极管对MOS管进行过压保护是合理的。

2.3 驱动电路

调制开关中每只MOS管的驱动电路见图4。

驱动电路的电源通过降压隔离电源变压器输入，触发信号通过触发脉冲变压器输入，触发脉冲变压器次级输出4路驱动信号分别至MOS管串联开关，因此要求触发脉冲变压器初、次级隔离电压为3 000 VDC，以保证调制开关的对地绝缘。

2.4 脉冲变压器

脉冲变压器为该脉冲电源的关键元件，作用是将高压电源放电产生的脉冲放大到所需的脉冲高压，变比为1：4。由于该脉冲电源为钢管调制器工作状态，脉冲变压器无充电电流去磁，因此脉冲变压器的设计必须注意铁芯的饱和问题。同时，该脉冲变压器工作在两种脉冲宽度状态 （0.5 μs，2.5 μs），脉冲宽度较窄，等效频率较高，因此该脉冲变压器选用低Br的超微晶铁芯。

由于灯丝电源必须通过脉冲变压器的次级绕组输出到磁控管的阴极及灯丝，脉冲变压器的次级绕组采用双绕组的方式，绕组导线除承受脉冲电流外还必须能够承受2 A的灯丝电流。

2.5 结构设计方案

该脉冲电源结构设计见图5，体积约为500 mm×500 mm×200 mm。

2.6 脉冲电源测试数据

该脉冲电源完成生产装配后，经调试，在电阻负载上两种脉冲工作状态下的输出波形见图6，脉冲输出峰值电压最高-4 500 V，脉冲电流10 A，前、后沿均小于200 ns。

3 结论

通过上述测试数据，可验证该脉冲电源设计方案完全满足技术指标要求。目前该脉冲电源已交付客户并正常使用。