5kV重复频率高压脉冲电源设计

文章摘要：重复频率高压脉冲产生技术是随着近代科学实验而发展起来的一门技术。主要是依据实验需求，产生不同幅值、频率和脉冲宽度等参数的高压脉冲。目前在科学研究、工业生产、技术改造中得到越来越多的应用。5 kV重复频率高压脉冲电源主要用于气体的预电离，在毛细管放电X线激光的研究中，预脉冲放电对气体预电离被认为是产生X线激光的必要条件。本文利用IGBT做主开关，通过脉冲变压器升压的方式来得到高压脉冲，采用工控计算机和数据采集控制卡对整个系统进行控制。1 系统总体设计 脉冲电源的主要指标要求：脉冲电压3～5 kV可调；脉冲宽度2～20 μs可调；脉冲频率1～200 Hz可调；脉冲电流最大100 A。根据指标

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重复频率高压脉冲产生技术是随着近代科学实验而发展起来的一门技术。主要是依据实验需求，产生不同幅值、频率和脉冲宽度等参数的高压脉冲。目前在科学研究、工业生产、技术改造中得到越来越多的应用。5 kV重复频率高压脉冲电源主要用于气体的预电离，在毛细管放电X线激光的研究中，预脉冲放电对气体预电离被认为是产生X线激光的必要条件。本文利用IGBT做主开关，通过脉冲变压器升压的方式来得到高压脉冲，采用工控计算机和数据采集控制卡对整个系统进行控制。

1 系统总体设计
    脉冲电源的主要指标要求：脉冲电压3～5 kV可调；脉冲宽度2～20 μs可调；脉冲频率1～200 Hz可调；脉冲电流最大100 A。根据指标要求，所设计的系统原理框图如图l所示。

    系统工作过程如下：由控制系统控制可调直流高压电源给储能电容器充电，当充电电压达到设定值后，再控制IGBT按照设定的频率和脉冲宽度导通，产生脉冲电压加在高压脉冲变压器原边，最后由高压脉冲变压器升压，产生所需的高压脉冲加在负载上。

2 高压脉冲变压器设计
    依据指标要求，高压脉冲变压器的主要参数如下：变比设计为1：4；次级电压为5 kV；初级电压为1．25 kV；最大脉冲宽度为20μs；频率最大为200 Hz。脉冲变压器的伏一秒数为λ。
   
式中，N为匝数；U为电压；T为时间(脉冲宽度)；△B=Br+Bs(Br为剩余磁感应强度，Bs为饱和磁感应强度)；A为磁芯截面积；S为磁芯填充系数。
    将U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料为非晶，△B为1．6 T，A为0．005 6 m2，可求出原边N为3，由于变比是1：4，所以次变匝数为12。由于脉冲为单极性，磁性还要考虑复位，复位电路原理图如图2所示。

    图2中，V1为低压直流电源，R1为限流电阻。由V1通过R1提供一个直流电流给单匝复位线圈A。在高压脉冲变压器工作时，单匝线圈A上会感应较高的电压，利用电感L1，电容C1和高压硅堆VD1对低压直流电源V1进行保护。

3 IGBT选取及驱动电路设计
    由于脉冲变压器的次边最大电流为100 A，变比为l：4，所以原边最大电流为400 A，原边电压为1．25 kV。IGBT的额定电流应大于400 A，额定电压应大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，额定电压为3 300 V，额定电流为800 A。
    IGBT的触发信号要求一个脉冲宽度在2～20μs可调，脉冲幅度15 V。脉冲频率l～200 Hz可调的方波信号，具备短路和过流保护功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组为基础，外加必需的其他元件组成。

4 可调直流高压电源设计
    可调直流高压电源由可控硅调压器、高压变压器、整流桥、储能电容器等几部分组成。工作过程如下：交流220 V供给可控硅调压模块，经过调压模块后输出交流0～220 V，加在工频升压变压器的初级，变压器的次级输出经过全桥整流后，通过电感给储能电容器充电。控制调压模块的输出电压，可以使电容器上的电压达到设定值。
    当主回路输出高压脉冲电压为5 kV、脉冲宽度为20μs、脉冲电流为100 A时，单脉冲的能量为10 J。考虑到输出脉冲的平顶，选取储能电容器时，在其工作电压值时的储能为5倍单脉冲能量，即50 J。工作电压为1．25 kV，可求出电容值为64μF。

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