重復(fù)頻率高壓脈沖產(chǎn)生技術(shù)是隨著近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)而發(fā)展起來的一門技術(shù),。主要是依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求,,產(chǎn)生不同幅值,、頻率和脈沖寬度等參數(shù)的高壓脈沖。目前在科學(xué)研究,、工業(yè)生產(chǎn),、技術(shù)改造中得到越來越多的應(yīng)用。5kV重復(fù)頻率高壓脈沖電源主要用于氣體的預(yù)電離,,在毛細(xì)管放電X線激光的研究中,,預(yù)脈沖放電對氣體預(yù)電離被認(rèn)為是產(chǎn)生X線激光的必要條件。本文利IGBT做主開關(guān),,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(jī)和數(shù)據(jù)采集控制卡對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。
系統(tǒng)總體設(shè)計
脈沖電源的主要指標(biāo)要求:脈沖電壓3~5kV可調(diào),;脈沖寬度2~20μs可調(diào),;脈沖頻率1~200Hz可調(diào);脈沖電流最大100A。根據(jù)指標(biāo)要求,,所設(shè)計的系統(tǒng)原理框圖如圖l所示,。
系統(tǒng)工作過程如下:由控制系統(tǒng)控制可調(diào)直流高壓電源給儲電容器充電,當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值后,,再控制IGBT按照設(shè)定的頻率和脈沖寬度導(dǎo)通,,產(chǎn)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(chǎn)生所需的高壓脈沖加在負(fù)載上,。
高壓脈沖變壓器設(shè)計
依據(jù)指標(biāo)要求,高壓脈沖變壓器的主要參數(shù)如下:變比設(shè)計為1:4,;次級電壓為5kV,;初級電壓為1.25kV;最大脈沖寬度為20μs,;頻率最大為200Hz,。脈沖變壓器的伏一秒數(shù)為λ。
式中,,N為匝數(shù),;U為電壓;T為時間(脈沖寬度),;△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度,,Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度);A為磁芯截面積,;S為磁芯填充系數(shù),。
將U=1.25kV;T=20μs代人式(2),,磁芯材料為非晶,,△B為1.6T,A為0.0056m2,,可求出原邊N為3,,由于變比是1:4,所以次變匝數(shù)為12,。由于脈沖為單極性,,磁性還要考慮復(fù)位,復(fù)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(fù)位線圈A,。在高壓脈沖變壓器工作時,,單匝線圈A上會感應(yīng)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(jìn)行保護(hù),。
IGBT選取及驅(qū)動電路設(shè)計
由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100A,變比為l:4,,所以原邊最大電流為400A,,原邊電壓為1.25kV。IGBT的額定電流應(yīng)大于400A,,額定電壓應(yīng)大于1.25kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100,,額定電壓為3300V,,額定電流為800A。
IGBT的觸發(fā)信號要求一個脈沖寬度在2~20μs可調(diào),,脈沖幅度15V,。脈沖頻率l~200Hz可調(diào)的方波信號,具備短路和過流保護(hù)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(yùn)行而設(shè)計的驅(qū)動模塊,,它以專用芯片組為基礎(chǔ),外加必需的其他元件組成,。
可調(diào)直流高壓電源設(shè)計
可調(diào)直流高壓電源由可控硅調(diào)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220V供給可控硅調(diào)壓模塊,經(jīng)過調(diào)壓模塊后輸出交流0~220V,,加在工頻升壓變壓器的初級,,變壓器的次級輸出經(jīng)過全橋整流后,通過電感給儲能電容器充電,??刂普{(diào)壓模塊的輸出電壓,可以使電容器上的電壓達(dá)到設(shè)定值,。
當(dāng)主回路輸出高壓脈沖電壓為5kV,、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100A時,,單脈沖的能量為10J,。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50J。工作電壓為1.25kV,,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(shù),。主電路最大輸出頻率為200Hz,,每次電容器要放出約10J的能量,而對電容器的充電時間必須小于5ms,,所以可求出變壓器的平均功率為2kW,。考慮工頻高壓變壓器輸出電壓經(jīng)過全橋整流后,,脈動頻率為100Hz,,小于主電路的最大輸出頻率為200Hz,所以實(shí)際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大于2kW,,可以選取5kW的變壓器,。高壓變壓器輸出電壓實(shí)際選取1.5kV(峰值)。
控制系統(tǒng)設(shè)計
控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示,。通過計算機(jī)控制AO卡(模擬量輸出)輸出0~10V的模擬量,,用來控制調(diào)壓系統(tǒng)中的可控硅調(diào)壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經(jīng)過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入),,由計算機(jī)采集,。計算機(jī)控制DO卡(數(shù)字量輸出)輸出控制信號控制各類啟動開關(guān)和IGBT驅(qū)動板輸出觸發(fā)信號。各類手動面板的開關(guān)信號經(jīng)過DI卡(數(shù)字量輸入),,由計算機(jī)采集,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
對系統(tǒng)各部分進(jìn)行調(diào)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(shí)驗(yàn)波形如圖4、圖5和圖6所示,。
圖4中,,縱坐標(biāo)為電壓幅度值(2通道2kV/格,4通道200mV/格),。通道2為電壓波形,,電壓約為5kV,脈沖寬度為10μs,,上升沿小于lμs,。通道4為電流波形,電流值約85A(波形圖中比例為l:500),。圖5中,,脈沖周期為5ms,,重復(fù)頻率為200Hz。圖6中,,縱坐標(biāo)為電壓幅度值(1通道5kV/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(dāng)電壓加在氣體上時,,大約經(jīng)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(xiàn)。在脈沖電壓加載期間,,氣體維持了電離狀態(tài)。
以可調(diào)直流高壓電源,、高壓IGBT,、高壓脈沖變壓器、工控計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制卡為核心部件的5kV重復(fù)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(shù)可以同時調(diào)節(jié)的特點(diǎn),為開展其他指標(biāo)的脈沖電源研制提供了一種可行的技術(shù)途徑,。從測試結(jié)果來看,,整個系統(tǒng)完全達(dá)到了指標(biāo)要求,為開展毛細(xì)管放電x線激光的研究提供了必要的研究條件,。