基于MOS管串聯(lián)開關(guān)的高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

郭 翔 ，江 磊 ，范 青

(1.合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥230088；2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥230088)

引言

根據(jù)客戶要求，我公司研制了一款高壓脈沖電源，該電源用于測試脈沖磁控管，要求輸出－4 500 V的高壓脈沖，并具有兩種不同的脈沖寬度，具體要求如下。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

1.1 脈沖電源技術(shù)指標(biāo)

輸入電源：220 VAC50 Hz

輸入相數(shù)：單相

輸出電壓：-4 500 V（連續(xù)可調(diào)）

輸出峰值電流：10 A

輸出脈沖寬度與輸出頻率：

脈沖工作狀態(tài) 1： 0.5±10% μs/750±10%Hz（0.7電平處）

脈沖工作狀態(tài) 2： 2.5±10% μs/250±10%Hz（0.7電平處）

工作限度：可連續(xù)工作

具有過流、過壓、限流、限壓等保護(hù)功能。

1.2 燈絲電源

輸出電壓：6.3 V±5%DC

輸出電流：≥2 A

2 脈沖電源電路設(shè)計(jì)方案

由于該項(xiàng)目要求研制周期較緊，而體積要求較為寬松，因此我公司的設(shè)計(jì)方案盡量利用現(xiàn)有器件及成熟技術(shù)，高壓電源為工頻變壓器升壓的線性電源，控制電源、燈絲電源采用廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

該脈沖電源原理框圖見圖1。

工作原理如下：

交流電壓220 V50 Hz輸入后，分別送至高壓電源、控制電源及燈絲電源。高壓電源為線性電源，輸出為最高1 300 V的直流高壓 (通過調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào))。調(diào)制開關(guān)為4只MOS管IXFN32N120串聯(lián)開關(guān)。脈沖電源的觸發(fā)脈沖由觸發(fā)電路產(chǎn)生，經(jīng)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路放大隔離后輸入至調(diào)制開關(guān)，調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通，高壓電源經(jīng)調(diào)制開關(guān)向脈沖變壓器初級放電，經(jīng)1：4脈沖變壓器放大后輸出到磁控管負(fù)載，負(fù)載脈沖電壓最高輸出為－5 000 V。

控制電源為朝陽模塊電源4NIC-K37.5，燈絲電源為朝陽模塊電源4NIC-X30，燈絲電源工作即磁控管燈絲預(yù)熱后開始計(jì)時(shí)，5 min后時(shí)間繼電器閉合方可加高壓。

2.1 高壓電源

根據(jù)技術(shù)要求，該脈沖電源輸出峰值功率為45 kW，但平均功率很低，按脈沖工作狀態(tài)1計(jì)算，平均功率為17 W；按脈沖工作狀態(tài)2計(jì)算，平均功率為28 W。因此高壓電源按輸出功率100 W設(shè)計(jì)，足以滿足輸出功率要求。

高壓線性電源電路圖見圖2。

為便于電壓調(diào)整，輸入使用200 W調(diào)壓器，經(jīng)1:4.5電源變壓器升壓，整流濾波后輸出直流高壓。

高壓電源輸出電壓、電流取樣信號至控制電路，控制電路具有過壓、過流保護(hù)功能，過壓保護(hù)點(diǎn)為1 300 V，過流保護(hù)點(diǎn)為0.1 A，過壓或過流任一故障出現(xiàn)后控制電路封鎖觸發(fā)電路信號，調(diào)制開關(guān)關(guān)斷，高壓電源無輸出。

2.2 調(diào)制開關(guān)及均壓網(wǎng)絡(luò)

調(diào)制開關(guān)為4只MOS管串聯(lián)的組合開關(guān)，電路圖見圖3。

MOS管型號為IXYS公司IXFN32N120，電壓1 200 V，穩(wěn)態(tài)電流32 A，脈沖電流128 A，4只MOS管串聯(lián)后耐壓達(dá)到4 800 V，該脈沖電源放電時(shí)，脈沖變壓器初級的脈沖電壓最大為1 300 V，脈沖電流40 A，該串聯(lián)調(diào)制開關(guān)可完全滿足要求。

對于串聯(lián)運(yùn)用的開關(guān)器件，均壓電路是非常重要的。本高壓脈沖電源采用一組串并結(jié)合的無源網(wǎng)絡(luò)作為均壓電路，網(wǎng)絡(luò)由電阻、電容和瞬態(tài)抑制二極管TVS組成。

均壓電阻1 MΩ：MOS管存在著漏電流的離散，特別在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，差異會(huì)更大，均壓電阻可以減小由于器件漏電流所造成的靜態(tài)阻抗的不均勻。此外，均壓電阻可以起到放電電阻的作用。

均壓電容1 000 pF:IXFN32N120MOS管的典型輸出電容COSS=1 000 pF，該電容在不同的環(huán)境下也存在差異，均壓電容并聯(lián)以后，可以提高串聯(lián)MOS管的等效輸出電容的一致性。

TVS擊穿電壓900 V：在均壓良好的情況下，單只 MOS管承受的工作電壓為 300V，IXFN32N120MOS管的最高漏-源電壓Vdss=1 100 V，而TVS的擊穿電壓有一定范圍要求，因此選擇900 V左右的瞬態(tài)抑制二極管對MOS管進(jìn)行過壓保護(hù)是合理的。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

調(diào)制開關(guān)中每只MOS管的驅(qū)動(dòng)電路見圖4。

驅(qū)動(dòng)電路的電源通過降壓隔離電源變壓器輸入，觸發(fā)信號通過觸發(fā)脈沖變壓器輸入，觸發(fā)脈沖變壓器次級輸出4路驅(qū)動(dòng)信號分別至MOS管串聯(lián)開關(guān)，因此要求觸發(fā)脈沖變壓器初、次級隔離電壓為3 000 VDC，以保證調(diào)制開關(guān)的對地絕緣。

2.4 脈沖變壓器

脈沖變壓器為該脈沖電源的關(guān)鍵元件，作用是將高壓電源放電產(chǎn)生的脈沖放大到所需的脈沖高壓，變比為1：4。由于該脈沖電源為鋼管調(diào)制器工作狀態(tài)，脈沖變壓器無充電電流去磁，因此脈沖變壓器的設(shè)計(jì)必須注意鐵芯的飽和問題。同時(shí)，該脈沖變壓器工作在兩種脈沖寬度狀態(tài) （0.5 μs，2.5 μs），脈沖寬度較窄，等效頻率較高，因此該脈沖變壓器選用低Br的超微晶鐵芯。

由于燈絲電源必須通過脈沖變壓器的次級繞組輸出到磁控管的陰極及燈絲，脈沖變壓器的次級繞組采用雙繞組的方式，繞組導(dǎo)線除承受脈沖電流外還必須能夠承受2 A的燈絲電流。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該脈沖電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖5，體積約為500 mm×500 mm×200 mm。

2.6 脈沖電源測試數(shù)據(jù)

該脈沖電源完成生產(chǎn)裝配后，經(jīng)調(diào)試，在電阻負(fù)載上兩種脈沖工作狀態(tài)下的輸出波形見圖6，脈沖輸出峰值電壓最高-4 500 V，脈沖電流10 A，前、后沿均小于200 ns。

3 結(jié)論

通過上述測試數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證該脈沖電源設(shè)計(jì)方案完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。目前該脈沖電源已交付客戶并正常使用。