基于冷阴极触发管的重频高压脉冲源设计

2016-10-21李玺钦冯莉赵娟吴红光李洪涛

电源学报 2016年5期

关键词：控制电路脉冲高压

李玺钦，冯莉，赵娟，吴红光，李洪涛

（中国工程物理研究院流体物理研究所，脉冲功率科学与技术重点实验室，绵阳621999）

基于冷阴极触发管的重频高压脉冲源设计

李玺钦，冯莉，赵娟，吴红光，李洪涛

（中国工程物理研究院流体物理研究所，脉冲功率科学与技术重点实验室，绵阳621999）

为满足爆轰物理实验、X光机以及Marx脉冲功率装置等触发系统的需求，设计了一种输出幅度在8～15 kV、重复频率1～40 Hz工作的重频高压脉冲源。采用固定频率脉宽调制（PWM）控制器TL494集成电路，构建高压电源给储能电容提供所需能量；在手动触发、光触发（单次和重频）以及电触发三种触发脉冲信号的作用下驱动IGBT半导体开关，经脉冲变压器变换后控制冷阴极触发管迅速导通，致使储能电容上的能量在75 Ω负载上瞬间产生放电，得到一路幅度大于15 kV、脉冲前沿小于13 ns、脉宽大于500 ns的高压脉冲和一路幅度大于150 V、前沿小于8.3 ns、脉宽大于1 μs的同步脉冲，系统抖动时间绝对值小于10 ns。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性，并给出了重频工作下高压脉冲源输出的实验结果。

冷阴极；触发管；PWM；重复频率；高压脉冲；同步脉冲；抖动

引言

随着近年来脉冲功率技术的迅速发展，重复频率脉冲功率技术的发展也成为了热点之一。尤其是在高功率微波、强激光以及粒子束聚变等脉冲功率领域，以及许多民用领域中都要求脉冲功率装置具有一定的重复频率工作特性［1-2］。因而越来越多功能各异的重复频率高压脉冲源被广泛应用到高功率脉冲系统中，在X光机、Marx脉冲功率装置、高功率微波、强激光以及粒子束聚变等领域中发挥着重要的作用［3-4］。

冷阴极触发管作为一种运用气体放电原理所制作的开关器件，具有工作耐压高、电流大、导通快以及可重复频率工作等优点，被广泛应用于高功率脉冲系统中。针对不同的脉冲功率系统需选择不同的高压开关管，这就造成了脉冲功率系统中高压脉冲源的设计千差万别［5-7］。

本文所采用的高压触发管为冷阴极触发管（V型管），根据其触发机理成功设计了具有手动、光、电脉冲以及重频（1～40 Hz）触发工作模式，控制V型管放电产生幅度为8～15 kV、前沿＜13 ns、脉宽＞500 ns的高压脉冲以及幅度＞150 V、前沿＜8.3 ns、脉宽＞1 μs的同步脉冲，并且系统抖动达到小于10 ns的一种重频高压脉冲源。

1　系统组成及工作原理

1.1基本组成

本文阐述的基于冷阴极V型管重复频率高压脉冲源主要是采用无源型电——光转换模块、PWM控制原理构建的高压模块、数模混合电路、驱动芯片和IGBT以及脉冲变压器来作为高压脉冲形成单元前级触发电路，控制冷阴极触发管（V型管）导通对负载放电。该重频高压脉冲源主要是由低压电源、高压电源、触发脉冲输入电路、触发控制电路和储能单元、高压脉冲形成单元以及高压脉冲和同步脉冲输出7大部份组成。其中，触发输入电路包括光电脉冲、手动以及重频三部分触发电路；触发控制电路由数模混合电路、驱动器和固体开关管IGBT以及脉冲变压器构成，是整个重频高压脉冲源系统核心。其基本组成如图1所示。

图1　重复频率高压脉冲源组成原理Fig.1 Form schematic of repetition-rate high voltage pulse power supply

1.2工作原理

冷阴极触发管重复频率高压脉冲源系统基本工作原理是：首先低、高压直流电源提供电路中所需的高、低电压，分别供给储能电容元件、外触发输入电路以及数模混合电路等组成的触发控制电路单元。系统一旦被触发，触发控制电路产生一个幅度为5 V的正脉冲信号至驱动器和IGBT开关管后，输出幅度500 V的负脉冲信号，经脉冲变压器变换后产生电压幅度为5 000 V左右的负脉冲信号，去触发控制冷阴极触发管（V型管）瞬间导通，至75 Ω负载上放电最终输出幅度为8～15 kV、脉宽大于500 ns、前沿小于13 ns的高压负脉冲以及一路与其延迟时间达到小于27 ns的同步脉冲信号，系统抖动达到小于10 ns。

2　电路设计

2.1高压电源

高压直流电源主要是采用TL494（PWM）集成芯片作为核心控制电路。主要由两大部分组成：一是以TL494（PWM）为核心构成的脉冲源；二是高压倍压电路。其中，脉冲源部分是由低压电源、外部控制调节电路以及脉冲形成电路三部分组成；高压倍压则是由高频脉冲升压变压器、高压输出和电压采样反馈电路三部份构成。其工作原理是：由低压直流电源提供24 V电压，供给固定频率脉宽调制集成芯片TL494和半导体MOSFET开关管组成的推挽式逆变开关电路，由它产生输出一个幅度为24 V、频率为40 kHz的高频逆变脉冲信号，去驱动脉冲变压器升压，经倍压整流滤波模块电路后，输出固定直流高压。该直流高压信号经电压采样反馈电路产生的反馈信号送至TL494控制集成芯片，经外部控制电路作用后，最终输出电流为10 mA、直流高压电压可从0～20 kV连续调节。其电源模块结构组成如图2所示。

图2　高压电源组成原理Fig.2 Form schematic of high voltage power

2.2触发输入电路

触发输入电路主要是由手动触发、电脉冲和重复频率触发单元电路三部分构成，其中，电脉冲和重复频率信号为外触发输入信号，手动触发为内触发。重复频率触发单元电路主要是由单片机、键盘、光纤发射器以及光纤接收器等部分组成，实现产生一种频率和脉宽均可变化且单次或重复频率输出模式的光信号，经电平变换电路后信号幅度转换为TTL电平，为后续电路提供一种可单次或重复频率工作的电脉冲外触发信号。

2.3触发控制电路

触发控制电路是整个系统电路设计中的核心部分［8］，它主要是由脉冲产生及输出电路（数模混合电路）、驱动电路（驱动芯片和驱动管IGBT）以及脉冲变压器变换电路三部分组成。

其中，脉冲产生及输出电路是由数字集成电路7400和7410以及模拟分立器件组成，主要作用是对产生的触发信号进行整形及锐化，产生一个幅度为5 V的预脉冲触发信号，然后供给驱动电路。

驱动电路则是由高速光隔离驱动器IXDN414和半导体开关器件IGBT构成。目的是将脉冲产生及输出电路单元输出的预触发脉冲信号，转换成一幅度为15 V的触发脉冲信号。用它去驱动IGBT半导体开关管，最终输出一幅度为500 V的负脉冲触发信号，提供给后级脉冲变压器变换电路。采用光隔离驱动电路，不仅可以将触发脉冲幅度提高，而且还将系统中的前级触发部分与后级高压脉冲形成部分实现了物理隔离，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。

脉冲变压器变换电路主要是由一个匝比为1：10的环形脉冲变压器构成，其主要功能是将前级驱动电路输出的500 V负脉冲信号进行能量变换，实现输出幅度为5 000 V左右的高压负脉冲信号，作为后级高压脉冲形成电路中冷阴极触发管（V型管）的触发信号。触发控制电路原理如图3所示。

图3　触发控制电路原理Fig.3 Schematic of trigger control circuit

2.4高压脉冲形成电路

高压脉冲形成电路主要是由高压电源、储能网络、高压气体开关、高压脉冲和同步脉冲输出电路四部分组成［9-10］。其中，储能网络采用低电感、储能密度和耐压高的无极性电容；高压气体开关则采用冷阴极触发管（V型管）；高压脉冲输出电路则包括高压限流电阻、储能电容和互感线圈及高压脉冲连接器。

高压电源输出的直流高压分两路：一路经限流电阻R3对储能网络中的高压储能电容C1进行充电；另一路则通过分压电阻R1和R2加给数字式电压表，显示电压值。触发控制电路输出幅度为5 000 V左右、脉宽几微秒的负触发脉冲信号，直接加至冷阴极触发管（V型管）的触发极上，使V型管瞬间导通，储能网络中电容C1上的能量则通过V型管迅速向负载放电，经高压脉冲输出电路最终在负载上产生幅度为8～15 kV、脉宽大于500 ns、脉冲前沿小于13 ns的负极性高压脉冲信号。同步信号则是采用在高压脉冲连接器输出地端串接一互感线圈，通过其感应来获取同步脉冲。电路原理如图4所示。

图4　高压脉冲输出电路原理Fig.4 Schematic of high voltage pulse output circuit

3　结构设计

为实现冷阴极触发管重复频率高压脉冲源小型化，在电路结构设计中，采用将直流高压电源控制电路及重频高压脉冲源系统中的触发输入和触发控制三个部分电路，集成在一块PCB电路板上的方法；对高压模块电源中的倍压电路，则采用有机玻璃盒封装及有机硅凝胶灌封。具有绝缘性好、重量轻、体积小便于携带。冷阴极触发管重复频率高压脉冲源系统结构如图5所示。

图5　重复频率高压脉冲源结构Fig.5 Repetition-rate high voltage pulse power supply structure schematic

4　实验结果

根据所提设计理念，对该冷阴极触发管重复频率高压脉冲源进行一系列系统调试实验，其各项技术指标均达到并优于设计要求，其输出的脉冲波形（前沿、脉宽及延迟时间）性能稳定、体积小重量轻、系统的抗干扰性能强、可靠性高。在重复频率为1 Hz触发工作下，高压脉冲源系统在直流高压为15 kV、负载75 Ω时输出的高压脉冲以及同步脉冲波形，输出波形如图6所示。其主要技术参数达到：高压脉冲输出幅度为-15.05 kV，脉宽569.6 ns，前沿12.8 ns；同步脉冲输出幅度为202 V、前沿为8.24 ns、脉宽1.02 μs，与高压脉冲信号之间的延迟时间为26.23 ns（同步脉冲信号取自高压脉冲输出末端，传输两者脉冲信号电缆长度达到一致时，它们之间的延迟时间会更小）。其中图中通道2为高压脉冲信号，测试采用1000：1高压探头，高压电缆5 m（阻抗75 Ω）；通道1为同步脉冲信号，测试采用10：1探头，长度为1 m同轴电缆（阻抗50 Ω）。

图6　高压脉冲输出波形Fig.6 Waveform of high-voltage pulse output

为了达到减小冷阴极触发管重复频率高压脉冲源的系统抖动（外触发输入到高压脉冲输出之间延迟时间的最大值与最小值之差），还分别对该脉冲源系统工作电压进行了不同等级系列的加载实验。在外触发脉冲保持不变的状态下工作15次，分别得到了一系列数据。通过对其数据分析得到该冷阴极触发管重复频率高压脉冲源，工作电压在15 kV（自击穿电压为16 kV）时，输出的高压脉冲信号不仅前沿快、稳定性好，而且系统抖动最小达到8.3 ns。其延迟时间及系统抖动（绝对值）波形如图7所示。

另外，还将该脉冲源在不同频率触发信号作用下，对系统输出脉冲幅度稳定性等方面进行了一系列实验。在工作电压15 kV、负载阻抗75 Ω，频率为1～40 Hz、连续工作60 s后，得到系统输出的高压脉冲幅度分别为-15.05、-15.04、-15.03、-15.03、-15.02和-14.999 kV；当系统工作在频率为7 Hz时，输出的高压脉冲幅度则达到-14.398 kV。通过对其数据分析可得到：该冷阴极触发管重复频率高压脉冲源系统，在频率从1 Hz到6 Hz时，输出的高压脉冲幅度均实现达到15 kV，系统稳定可靠、实现重频工作，达到的指标优于设计要求（重复频率1～35 Hz，连续工作40 s）。

图7　延迟时间及系统抖动（绝对值）波形Fig.7 Waveforms of delay time and system jitter time（absolute value）

5　结语

实验表明，要减小冷阴极触发管的抖动时间以及获取快前沿脉冲，除选用管子最佳工作电压接近自击穿电压外，还可以采用增加对其触发脉冲能量和采用快前沿触发信号等技术方法。文中阐述的重频高压脉冲源系统在工作电压为15 kV时，输出的高压脉冲幅度不仅有很好的一致性和稳定性，脉冲前沿快、抖动小，而且还可以在重频模式下可靠工作（重复频率1～40 Hz，连续工作60 s）。本文采用一种基于冷阴极触发管和PWM构建高压电源相结合的技术方法，来作为重频高压脉冲源系统的原理设计，经实验结果验证是可行的，具有良好的可移植性和拓展性。

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Design of the Repetition-rate High Voltage Pulsed Power by Cold Cathode Trigger Tube

LI Xiqin，FENG Li，ZHAO Juan，WU Hongguang，LI Hongtao
（Key Laboratory of Pulsed Power，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

To fulfill the demand of the trigger system of detonation physics experiment，X-ray system and Marx pulse power system，a high voltage pulse trigger with output voltage of 8～15 kV and repetitive frequency of 1～40 Hz is designed.Based on the PWM TL494 integration circuit with fixed frequency，the high voltage power supply was established and supplied the energy to the storage capacitor.The storage capacitor discharged through IGBT and cold cathode trigger tube with manual trigger，optical trigger and electric trigger signal，two in-phase pulses were gotten，the pulse of one channel is with more than15 kV output voltage，less than 13 ns fall time，more than 500 ns pulse width，and another pulse is with more than 150 V output voltage，less than 8.3 ns fall time，more than 1 μs pulse width and jitter less than 10 ns.The experimental results validate the feasibility of the designed theory and method.

cold cathode；trigger tube；PWM；repetition-rate；high voitage pulse；synchronous pulse；jitter time