重復頻率高壓脈沖產生技術是隨著近代科學實驗而發(fā)展起來的一門技術,。主要是依據實驗需求,，產生不同幅值,、頻率和脈沖寬度等參數的高壓脈沖。目前在科學研究,、工業(yè)生產,、技術改造中得到越來越多的應用。5 kV重復頻率高壓脈沖電源主要用于氣體的預電離,，在毛細管放電X線激光的研究中,，預脈沖放電對氣體預電離被認為是產生X線激光的必要條件。本文利用 IGBT做主開關,，通過脈沖變壓器升壓的方式來得到高壓脈沖,，采用工控計算機和數據采集控制卡對整個系統進行控制。
1 系統總體設計
脈沖電源的主要指標要求：脈沖電壓3～5 kV可調,；脈沖寬度2～20 μs可調,；脈沖頻率1～200 Hz可調；脈沖電流最大100 A,。根據指標要求,，所設計的系統原理框圖如圖l所示。
系統工作過程如下：由控制系統控制可調直流高壓電源給儲能電容器充電,，當充電電壓達到設定值后,，再控制IGBT按照設定的頻率和脈沖寬度導通，產生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊,，最后由高壓脈沖變壓器升壓,，產生所需的高壓脈沖加在負載上。
2 高壓脈沖變壓器設計
依據指標要求,，高壓脈沖變壓器的主要參數如下：變比設計為1：4,；次級電壓為5 kV；初級電壓為1．25 kV,；最大脈沖寬度為20μs,；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數為λ,。
式中,，N為匝數,；U為電壓,；T為時間(脈沖寬度),；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應強度，Bs為飽和磁感應強度),；A為磁芯截面積,；S為磁芯填充系數。
將U=1．25 kV,；T=20μs代人式(2),，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T,，A為0．005 6 m2,，可求出原邊N為3，由于變比是1：4,，所以次變匝數為12,。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復位,，復位電路原理圖如圖2所示,。
圖2中，V1為低壓直流電源,，R1為限流電阻,。由V1通過R1提供一個直流電流給單匝復位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時,，單匝線圈A上會感應較高的電壓,，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對低壓直流電源V1進行保護,。
由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A,，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A,，原邊電壓為1．25 kV,。IGBT的額定電流應大于400 A，額定電壓應大于1．25 kV,。采用ABB公司的5SNA0800N330100,，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A,。
IGBT的觸發(fā)信號要求一個脈沖寬度在2～20μs可調,，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調的方波信號,，具備短路和過流保護功能,。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊,，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其他元件組成,。
4 可調直流高壓電源設計
可調直流高壓電源由可控硅調壓器,、高壓變壓器、整流橋,、儲能電容器等幾部分組成,。工作過程如下：交流220 V供給可控硅調壓模塊，經過調壓模塊后輸出交流0～220 V,，加在工頻升壓變壓器的初級,，變壓器的次級輸出經過全橋整流后，通過電感給儲能電容器充電,?？刂普{壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達到設定值,。
當主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV,、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時,，單脈沖的能量為10 J,。考慮到輸出脈沖的平頂,，選取儲能電容器時,，在其工作電壓值時的儲能為5倍單脈沖能量，即50 J,。工作電壓為1．25 kV,，可求出電容值為64μF。
對于工頻高壓變壓器,，需確定其輸出電壓和功率等主要參數,。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量,，而對電容器的充電時間必須小于5 ms,，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW?？紤]工頻高壓變壓器輸出電壓經過全橋整流后,，脈動頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz,，所以實際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大于2 kW,，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實際選取1．5 kV(峰值),。
5 控制系統設計
控制系統原理框圖如圖3所示,。通過計算機控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量,，用來控制調壓系統中的可控硅調壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入),，由計算機采集,。計算機控制DO卡(數字量輸出)輸出控制信號控制各類啟動開關和IGBT驅動板輸出觸發(fā)信號。各類手動面板的開關信號經過DI卡(數字量輸入),，由計算機采集,。
6 實驗結果
對系統各部分進行調試。用高壓探頭測試電壓波形,，用羅果夫斯基線圈測試電流波形。測試的實驗波形如圖4,、圖5和圖6所示,。
圖4中，縱坐標為電壓幅度值(2通道2 kV／格,，4通道200 mV／格),。通道2為電壓波形，電壓約為5 kV,，脈沖寬度為10μs,，上升沿小于lμs。通道4為電流波形,，電流值約85 A(波形圖中比例為l：500),。圖5中，脈沖周期為5 ms,，重復頻率為200 Hz,。圖6中，縱坐標為電壓幅度值(1通道5 kV／格,，2通道2V／格),。l通道為放電電壓波形，2通道為放電電流波形,。從波形圖中可以看出,，脈沖當電壓加在氣體上時，大約經過幾微秒時間后,，氣體發(fā)生電離,。此時由于分壓原因，電壓幅值略有下降,，電流波形開始出現,。在脈沖電壓加載期間，氣體維持了電離狀態(tài),。
7 結束語
以可調直流高壓電源,、高壓IGBT,、高壓脈沖變壓器、工控計算機和數據采集控制卡為核心部件的5 kV重復頻率高壓脈沖電源,，具備脈沖電壓,、脈沖頻率和脈沖寬度等參數可以同時調節(jié)的特點，為開展其他指標的脈沖電源研制提供了一種可行的技術途徑,。從測試結果來看,，整個系統完全達到了指標要求，為開展毛細管放電x線激光的研究提供了必要的研究條件,。