10MeV辐射加工用电子加速器闸流管触发电路的设计

（北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

辐射加工用电子加速器氢闸流管的传统触发方法是使用单向可控硅（MCR100-8），属于电流型控制器件，其典型触发电流小于200uA，触发电路设计复杂，导通典型值在150～250ns之间，导致氢闸流管（CX1549）的栅极触发沿上升慢，闸流管导通的延时时间长抖动大。不仅影响氢闸流管的运行可靠性，而且缩短其使用寿命。现今也有使用IGBT作为触发电路的开关管。IGBT虽工作电压等级较高，可达3000V以上，脉冲电流也可达3000A，但速度较慢。典型导通时间小于200ns。本文所采用的MOSFET管（APT50M38JLL）属电压型控制器件，导通时间在50ns以内，其漏源极电压控制在500V以内，在电路设计里采用脉冲升压变压器升压，可将其电压升到600～2000V之间，满足CX1549型氢闸流管的要求。其栅极触发电压在30V以内，典型值10～15V，仅需很小的触发电流，100nA左右。相应触发电路设计简单，氢闸流管栅极触发沿上升快。使得大大缩短了氢闸流管的导通延时时间，且抖动小。有效的提高了该氢闸流管的运行可靠性和使用寿命。

1 氢闸流管的导通条件

本文所采用的氢闸流管CX1549工作时需要两路触发脉冲，一路预触发脉冲G1，另外一路触发脉冲加在G2上，为主触发信号。之所以采用预触发与主触发脉冲的触发方式，是为了在主触发之前，使闸流管栅极预点火，在栅极和阴极间形成栅流。这样能使闸流管以稳定时间导通，减少高压脉冲与触发脉冲的时延在不同时刻的漂移。触发脉冲G1加在氢闸流管的预点火极，电压要求为600～2000V，电流10～40A。G2主触发脉冲要求电压为1000～2000V，实验中取1200～2000V，脉冲上升沿要达到10kV/us的上升率。G2延迟G1的时间为0.5us，如图1所示[1]。

图1 1549闸流管示意图

2 触发电路的设计

2.1 触发信号的产生

图2 主(预)触发信号产生信号

原始触发信号由NE555定时器芯片的典型多谐振荡器电路产生，产生一个幅值为15V，脉宽为2us的触发信号。该信号加在两片MC14528芯片组成的脉冲信号产生电路的输入端，如图2所示。

由一片MC14528的4脚检测到输入的触发信号的上升沿，6脚输出脉宽宽度由R25和C12的值调整。再由11脚检测到6脚触发脉冲的下降沿，由10脚输出脉冲信号，再由R27、V5、V6、R28、R29、R30组成的达林顿管电流放大，输出一个幅值为10V的预触发信号。另外一片MC14528的4脚检测到由上一片输出的脉冲信号，由R35、C16、R37、C17值的计算调整使得输出的主触发信号幅值与预触发信号幅值相同且延迟预触发信号0.5us。

2.2 触发脉冲电路

前述产生的触发信号输出到大功率MOSFET管的栅极，以控制该MOSFET管的导通及关断。如图3所示。

MOSFET管的漏源极两端加300V的直流电压在MOSFET关断期间给电容C1充电，当MOSFET导通时C1通过MOSFET管给脉冲变压器T1的初级线圈放电。放电时由于电感L1的存在，可以在MOSFET导通时有效防止300V电源瞬间对地短路，L1取1mH，1W，由于触发脉冲比较窄，当L1饱和导通时，MOSFET已经关闭[2]。瞬变二极管TVS1可以保护MOSFET管的栅极由于过电压而导致MOSFET管损坏的情况。R1提供了一个辅助回路，可分流过电流，同样有效保护了MOSFET的栅极。TVS2如同TVS1保护栅极一样，起到保护MOSFET的漏极防止MOSFET被击穿。V2和R4组成的支路可以消耗掉T1初级电感的储能。C2、R2、V1组成的支路可有效抑制电路寄生电感储能产生的尖峰[3]，同样起到保护MOSFET的作用。主触发脉冲电路中的变压器T1变比定位1:5，次级侧电压可达1500V。预触发脉冲电路中变压器变比为1:3，次级侧电压可达900V，电流达30～40A。所得触发脉冲变压器输出指标均满足CX1549型氢闸流管的触发导通条件。

需要注意的是，变压器T1两侧的接地端并非同一个接地点。不设同一接地点的目的，是用变压器T1来隔离变压器两端的电路，保护变压器T1初级侧电路不受次级侧电路高压放电而导致器件被烧坏的情况出现。

3 实验结果

前述由触发脉冲电路产生的触发脉冲满足CX1549型闸流管G1和G2的触发要求，实验时首先给闸流管灯丝通电预热10分钟，然后将预触发脉冲和主触发脉冲加到G1和G2上，实验结果如图4、图5所示

图3 触发脉冲电路

图4 触发脉冲电压波形

图5 触发脉冲电流波形

图4所示为通过自制分压电路板采集到的闸流管G1和G2的触发脉冲电压波形，幅值高的为主触发脉冲，前沿峰值可达1500V，幅值低的为预触发脉冲电压波形，前沿峰值可达900V。图5所示为通过电流互感器测得的闸流管的触发脉冲的电流波形，幅值高的为预触发脉冲的电流波形，可达40A，幅值低的为主触发的脉冲电流波形。由实验结果观察可得，上述闸流管触发电路能良好使CX1549型氢闸流管工作。该氢闸流管触发电路已应用于电物理中心10MeV辐射加工用电子加速器系统中[4]，该系统要求氢闸流管可在最高550Hz的开关频率下实现25kV高压的PFN对负载放电。观察对负载的阳极电流，如图6所示。

图6 负载阳极电流

可知负载同样处于正常且稳定工作状态。

4 结论

通过以上思路设计的电路并结合实验所得的结果可知，采用MOSFET管，型号为APT50M38JLL，可实现充电电容C1稳定快速的向脉冲变压器T1放电。和传统的传统单向可控硅及IGBT为开关管的电路相比，本设计氢闸流管的触发电路，减少了开关管触发电路的功率放大的环节，电路设计更加简单。并应用于北自所电物理中心的10MeV辐射加工用电子加速器系统中，通过观察其实际运行结果，氢闸流管的工作状态稳定。