基于光電信號(hào)控制觸發(fā)的四路高壓脈沖源

李璽欽，吳紅光，丁明軍，劉云濤

（中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所，中物院脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621900）

隨著脈沖功率技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多功能各異的高壓脈沖源被廣泛應(yīng)用到高功率脈沖領(lǐng)域中，來(lái)作為不同種類脈沖功率裝置系統(tǒng)中的觸發(fā)源[1-2]。有的需要單路觸發(fā)工作，而有的則需要多路觸發(fā)工作。針對(duì)這種趨勢(shì)，脈沖功率裝置系統(tǒng)對(duì)高壓脈沖源輸出參數(shù)也提出了許多新的技術(shù)要求。特別是在多通道高功率脈沖觸發(fā)應(yīng)用方面，高壓脈沖源輸出的脈沖波形（前沿及脈寬）和它的各觸發(fā)通道之間脈沖信號(hào)的分散性、抗干擾性能，以及這些技術(shù)參數(shù)的可靠性和穩(wěn)定性越來(lái)越被重視。為適應(yīng)高功率脈沖裝置系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，成功研制了一臺(tái)具有光、電脈沖和單次觸發(fā)工作模式，基于模數(shù)混合電路、高壓光耦隔離器和驅(qū)動(dòng)電路控制高壓IGBT開關(guān)管放電輸出四路脈沖幅度為500～1 kV、前沿小于25 ns、脈寬大于500 ns、各通道之間分散性小于10 ns的高壓脈沖源，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 基本組成

文中闡述的四路高壓脈沖源主要是采用光接收器HFBR-2412TZ、74HC04數(shù)字電路、6N137和 HCW3120光隔離器以及IGBT驅(qū)動(dòng)芯片IXDN414來(lái)作為四路高壓脈沖源前級(jí)觸發(fā)控制系統(tǒng)。該高壓脈沖源主要是由低壓電源、高壓電源、觸發(fā)輸入單元、觸發(fā)控制單元、儲(chǔ)能單元、高壓脈沖形成單元以及四路脈沖輸出單元7部份組成。其中，觸發(fā)控制單元是由手動(dòng)觸發(fā)電路、觸發(fā)脈沖選擇電路以及觸發(fā)脈沖形成電路3部分組成，是整個(gè)脈沖源系統(tǒng)的核心部分；而觸發(fā)輸入單元?jiǎng)t是由光脈沖和電脈沖觸發(fā)電路兩個(gè)模塊構(gòu)成。其四路高壓脈沖源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 四路高壓脈沖源結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Four channels High voltage pulse power supply structure schematic

1.2 工作原理

四路高壓脈沖源系統(tǒng)其基本工作原理是：由低、高壓直流電源提供輸出所需的高、低電壓，分別供給觸發(fā)輸入電路、儲(chǔ)能單元以及模數(shù)混合電路等組成的觸發(fā)控制電路[3-4]。通過(guò)選擇手動(dòng)或光、電脈沖觸發(fā)工作模式，一旦有觸發(fā)信號(hào)輸入，觸發(fā)控制電路將產(chǎn)生輸出一個(gè)幅度為5 V的脈沖信號(hào)，它通過(guò)專用光耦器件及專用驅(qū)動(dòng)器后，產(chǎn)生一個(gè)幅度由5 V變換成15 V的正脈沖信號(hào)，去推動(dòng)半導(dǎo)體高壓開關(guān)管（IGBT）；半導(dǎo)體高壓開關(guān)管（IGBT）動(dòng)作后[5-9]，將在脈沖功率裝置負(fù)載上輸出四路脈沖幅度為500～1 000 V左右、脈寬大于500 ns、四路之間分散性小于10 ns的高壓脈沖信號(hào)，分別控制觸發(fā)后級(jí)脈沖功率裝置系統(tǒng)中四路高壓開關(guān)的導(dǎo)通。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 觸發(fā)輸入單元

外觸發(fā)輸入單元主要是由電脈沖、光脈沖觸發(fā)輸入電路兩部分構(gòu)成。

2.2 觸發(fā)控制單元

觸發(fā)控制單元是整個(gè)高壓源系統(tǒng)中的核心部分。它主要是由選擇電路（內(nèi)、外觸發(fā)）、脈沖產(chǎn)生及整形電路、光隔離及驅(qū)動(dòng)電路和觸發(fā)脈沖輸出電路4部分組成。

其中，脈沖選擇電路是由數(shù)字集成電路74HC74雙上升沿D觸發(fā)器、六反相器74HC04數(shù)字集成電路、觸發(fā)指示和復(fù)位電路以及阻容器件等形成。目的是分別將內(nèi)觸發(fā)脈沖、電觸發(fā)脈沖以及光觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行選擇和限制，將輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)，提供給脈沖產(chǎn)生及整形電路。

脈沖產(chǎn)生及整形電路則由數(shù)字集成電路74HC123雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和阻容器件組成[4]，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖選擇電路中輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行整形及銳化，輸出產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，供給光隔離及驅(qū)動(dòng)電路。

光隔離及驅(qū)動(dòng)電路是由高速光隔離器HCNW3120以及高速驅(qū)動(dòng)器IXDN414構(gòu)成。目的是將脈沖產(chǎn)生及整形電路單元輸出幅度5 V的觸發(fā)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換成一幅度為15 V的觸發(fā)脈沖，用它去控制半導(dǎo)體開關(guān)管（IGBT）的開與關(guān)。采用光隔離及驅(qū)動(dòng)電路，不僅可以將觸發(fā)脈沖幅度進(jìn)行變換，而且還將系統(tǒng)中的前級(jí)觸發(fā)部分和后級(jí)高壓脈沖形成部分實(shí)現(xiàn)了物理上的隔離，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的可靠性及穩(wěn)定性起到了重要的作用。

2.3 高壓脈沖形成單元

高壓脈沖形成單元包括儲(chǔ)能和輸出兩個(gè)單元。主要是由高壓組件、儲(chǔ)能器件、半導(dǎo)體開關(guān)管及高壓脈沖輸出4部分組成。其中，儲(chǔ)能單元采用低電感、儲(chǔ)能密度和耐壓高的無(wú)極性電容；高壓開關(guān)放電管則采用半導(dǎo)體開關(guān)管（IGBT）；高壓脈沖輸出部分則又包括高壓儲(chǔ)能電容、高壓限流電阻和半導(dǎo)體高壓開關(guān)管器件。

0～1 kV的高壓組件輸出的直流高壓分兩路：其中，一路經(jīng)限流電阻R1對(duì)高壓儲(chǔ)能電容C1進(jìn)行充電；另一路則通過(guò)分壓電阻R2和R3加給數(shù)字式電壓表，顯示電壓數(shù)值。觸發(fā)控制電路單元輸出幅度為15 V左右的觸發(fā)信號(hào)，直接送至到IGBT高壓開關(guān)管的觸發(fā)極上，控制IGBT高壓開關(guān)管瞬間導(dǎo)通，高壓儲(chǔ)能電容C1的儲(chǔ)能能量則通過(guò)IGBT高壓開關(guān)管向負(fù)載放電，輸出產(chǎn)生一幅度1 kV、脈寬大于500 ns、脈沖前沿小于25 ns的正極性高壓脈沖信號(hào)。其電路原理如圖2所示。

圖2 高壓脈沖輸出電路原理Fig.2 High voltage pulse output circuit schematic

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)提出的設(shè)計(jì)理念，將高壓脈沖源通過(guò)進(jìn)行一系列的系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)后，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。高壓脈沖源系統(tǒng)輸出的脈沖波形（前沿及脈寬）性能穩(wěn)定、系統(tǒng)的抗干擾性能強(qiáng)、可靠性高。本文給出了單次脈沖觸發(fā)下，高壓脈沖源系統(tǒng)在直流電壓為1 kV、負(fù)載為高阻狀態(tài)時(shí)輸出的高壓脈沖波形以及四路通道高壓脈沖信號(hào)之間延遲時(shí)間波形，如圖3所示。其主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到：高壓脈沖輸出幅度為1.06 kV，輸出脈沖寬度>500 ns，脈沖前沿為20.39 ns；在內(nèi)觸發(fā)工作模式下，工作電壓為600 V時(shí)，將第二路作為觸發(fā)源，另外三路與其進(jìn)行延遲時(shí)間測(cè)試，其結(jié)果為第一路與第二路延遲時(shí)間為2.955 ns、第三路與第二路延遲時(shí)間為-4.161 ns、第四路與第二路延遲時(shí)間為-3.917 ns。輸出的四路高壓脈沖信號(hào)之間分散性均達(dá)到了小于10 ns。

圖3 高壓脈沖輸出波形Fig.3 High-voltage pulse output waveform

其中，圖3中（a)為高壓脈沖源工作在1 kV電壓時(shí)的高壓脈沖輸出波形；（b)為高壓脈沖源四路輸出600 V時(shí)的高壓脈沖信號(hào)之間延遲時(shí)間波形。通道測(cè)試分別采用1 000:1和10:1衰減探頭。

4 結(jié) 論

文中給出的一種基于光、電脈沖信號(hào)I控制來(lái)作為四路高壓脈沖源前級(jí)觸發(fā)單元的設(shè)計(jì)原理和方法，實(shí)現(xiàn)了在單次以及光、電脈沖觸發(fā)下，負(fù)載電壓幅度均可達(dá)到1 kV，脈沖寬度大于500 ns，脈沖上升沿小于25 ns，并且四路之間輸出的高壓脈沖信號(hào)分散性均小于10 ns。實(shí)驗(yàn)證明，文中闡述的四路高壓脈沖源系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電路以及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在輸出的脈沖波形（前沿及脈寬）、通道之間脈沖信號(hào)分散性以及功率回路的抗干擾等主要技術(shù)參數(shù)上，具有很好的一致性和穩(wěn)定性，證明了所采用的設(shè)計(jì)原理和方法是可行的。

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