基于光电信号控制触发的四路高压脉冲源

李玺钦，吴红光，丁明军，刘云涛

（中国工程物理研究院 流体物理研究所，中物院脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900）

随着脉冲功率技术的飞速发展，越来越多功能各异的高压脉冲源被广泛应用到高功率脉冲领域中，来作为不同种类脉冲功率装置系统中的触发源[1-2]。有的需要单路触发工作，而有的则需要多路触发工作。针对这种趋势，脉冲功率装置系统对高压脉冲源输出参数也提出了许多新的技术要求。特别是在多通道高功率脉冲触发应用方面，高压脉冲源输出的脉冲波形（前沿及脉宽）和它的各触发通道之间脉冲信号的分散性、抗干扰性能，以及这些技术参数的可靠性和稳定性越来越被重视。为适应高功率脉冲装置系统技术的发展，成功研制了一台具有光、电脉冲和单次触发工作模式，基于模数混合电路、高压光耦隔离器和驱动电路控制高压IGBT开关管放电输出四路脉冲幅度为500～1 kV、前沿小于25 ns、脉宽大于500 ns、各通道之间分散性小于10 ns的高压脉冲源，并给出了实验结果。

1 系统组成及工作原理

1.1 基本组成

文中阐述的四路高压脉冲源主要是采用光接收器HFBR-2412TZ、74HC04数字电路、6N137和 HCW3120光隔离器以及IGBT驱动芯片IXDN414来作为四路高压脉冲源前级触发控制系统。该高压脉冲源主要是由低压电源、高压电源、触发输入单元、触发控制单元、储能单元、高压脉冲形成单元以及四路脉冲输出单元7部份组成。其中，触发控制单元是由手动触发电路、触发脉冲选择电路以及触发脉冲形成电路3部分组成，是整个脉冲源系统的核心部分；而触发输入单元则是由光脉冲和电脉冲触发电路两个模块构成。其四路高压脉冲源系统结构组成如图1所示。

图1 四路高压脉冲源结构原理图Fig.1 Four channels High voltage pulse power supply structure schematic

1.2 工作原理

四路高压脉冲源系统其基本工作原理是：由低、高压直流电源提供输出所需的高、低电压，分别供给触发输入电路、储能单元以及模数混合电路等组成的触发控制电路[3-4]。通过选择手动或光、电脉冲触发工作模式，一旦有触发信号输入，触发控制电路将产生输出一个幅度为5 V的脉冲信号，它通过专用光耦器件及专用驱动器后，产生一个幅度由5 V变换成15 V的正脉冲信号，去推动半导体高压开关管（IGBT）；半导体高压开关管（IGBT）动作后[5-9]，将在脉冲功率装置负载上输出四路脉冲幅度为500～1 000 V左右、脉宽大于500 ns、四路之间分散性小于10 ns的高压脉冲信号，分别控制触发后级脉冲功率装置系统中四路高压开关的导通。

2 电路设计

2.1 触发输入单元

外触发输入单元主要是由电脉冲、光脉冲触发输入电路两部分构成。

2.2 触发控制单元

触发控制单元是整个高压源系统中的核心部分。它主要是由选择电路（内、外触发）、脉冲产生及整形电路、光隔离及驱动电路和触发脉冲输出电路4部分组成。

其中，脉冲选择电路是由数字集成电路74HC74双上升沿D触发器、六反相器74HC04数字集成电路、触发指示和复位电路以及阻容器件等形成。目的是分别将内触发脉冲、电触发脉冲以及光触发脉冲信号进行选择和限制，将输出的触发脉冲信号，提供给脉冲产生及整形电路。

脉冲产生及整形电路则由数字集成电路74HC123双可重触发单稳态触发器和阻容器件组成[4]，实现对脉冲选择电路中输出的触发脉冲信号进行整形及锐化，输出产生一个电脉冲信号，供给光隔离及驱动电路。

光隔离及驱动电路是由高速光隔离器HCNW3120以及高速驱动器IXDN414构成。目的是将脉冲产生及整形电路单元输出幅度5 V的触发脉冲信号，转换成一幅度为15 V的触发脉冲，用它去控制半导体开关管（IGBT）的开与关。采用光隔离及驱动电路，不仅可以将触发脉冲幅度进行变换，而且还将系统中的前级触发部分和后级高压脉冲形成部分实现了物理上的隔离，对整个系统技术参数的可靠性及稳定性起到了重要的作用。

2.3 高压脉冲形成单元

高压脉冲形成单元包括储能和输出两个单元。主要是由高压组件、储能器件、半导体开关管及高压脉冲输出4部分组成。其中，储能单元采用低电感、储能密度和耐压高的无极性电容；高压开关放电管则采用半导体开关管（IGBT）；高压脉冲输出部分则又包括高压储能电容、高压限流电阻和半导体高压开关管器件。

0～1 kV的高压组件输出的直流高压分两路：其中，一路经限流电阻R1对高压储能电容C1进行充电；另一路则通过分压电阻R2和R3加给数字式电压表，显示电压数值。触发控制电路单元输出幅度为15 V左右的触发信号，直接送至到IGBT高压开关管的触发极上，控制IGBT高压开关管瞬间导通，高压储能电容C1的储能能量则通过IGBT高压开关管向负载放电，输出产生一幅度1 kV、脉宽大于500 ns、脉冲前沿小于25 ns的正极性高压脉冲信号。其电路原理如图2所示。

图2 高压脉冲输出电路原理Fig.2 High voltage pulse output circuit schematic

3 实验结果

根据提出的设计理念，将高压脉冲源通过进行一系列的系统调试实验后，其各项技术指标均达到设计要求。高压脉冲源系统输出的脉冲波形（前沿及脉宽）性能稳定、系统的抗干扰性能强、可靠性高。本文给出了单次脉冲触发下，高压脉冲源系统在直流电压为1 kV、负载为高阻状态时输出的高压脉冲波形以及四路通道高压脉冲信号之间延迟时间波形，如图3所示。其主要技术参数达到：高压脉冲输出幅度为1.06 kV，输出脉冲宽度>500 ns，脉冲前沿为20.39 ns；在内触发工作模式下，工作电压为600 V时，将第二路作为触发源，另外三路与其进行延迟时间测试，其结果为第一路与第二路延迟时间为2.955 ns、第三路与第二路延迟时间为-4.161 ns、第四路与第二路延迟时间为-3.917 ns。输出的四路高压脉冲信号之间分散性均达到了小于10 ns。

图3 高压脉冲输出波形Fig.3 High-voltage pulse output waveform

其中，图3中（a)为高压脉冲源工作在1 kV电压时的高压脉冲输出波形；（b)为高压脉冲源四路输出600 V时的高压脉冲信号之间延迟时间波形。通道测试分别采用1 000:1和10:1衰减探头。

4 结 论

文中给出的一种基于光、电脉冲信号I控制来作为四路高压脉冲源前级触发单元的设计原理和方法，实现了在单次以及光、电脉冲触发下，负载电压幅度均可达到1 kV，脉冲宽度大于500 ns，脉冲上升沿小于25 ns，并且四路之间输出的高压脉冲信号分散性均小于10 ns。实验证明，文中阐述的四路高压脉冲源系统，通过对电路以及结构上的优化设计，实现了在输出的脉冲波形（前沿及脉宽）、通道之间脉冲信号分散性以及功率回路的抗干扰等主要技术参数上，具有很好的一致性和稳定性，证明了所采用的设计原理和方法是可行的。

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