中子管離子源2 kV高壓脈沖電源的研制

吳麗娟, 侯博鋒, 孟德川, 于桂英

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

中子管離子源2 kV高壓脈沖電源的研制

吳麗娟, 侯博鋒, 孟德川, 于桂英

(沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034)

高壓脈沖電源在電場(chǎng)殺菌、等離子體發(fā)生器、激光技術(shù)、中子測(cè)井等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。其中,屬于核測(cè)井技術(shù)的脈沖中子測(cè)井技術(shù)需使用特定的脈沖和測(cè)量時(shí)序,因此設(shè)計(jì)了應(yīng)用于中子測(cè)井技術(shù)中的高壓脈沖電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過單端反激式逆變電路和半臂逆對(duì)稱式倍壓整流電路得到了穩(wěn)定的直流高壓,通過開關(guān)管串聯(lián)的方式解決了MOSFET管耐壓不夠的問題,設(shè)計(jì)了斬波控制電路,實(shí)現(xiàn)了高壓狀態(tài)下的斬波功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了帶負(fù)載實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)脈沖電壓0～2 kV,頻率500 Hz～10 kHz連續(xù)可調(diào),最小脈寬40 μs的精確控制,多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性。該電源具有功耗低、體積小、實(shí)驗(yàn)成本低等特點(diǎn),基本滿足了測(cè)井中子管中對(duì)離子源的供電需求。

方波脈沖; 高壓電源; 中子測(cè)井

0 引 言

中子管有2種工作方式:直流工作方式和脈沖工作方式。而脈沖工作方式是中子源的一大特色,在脈沖中子測(cè)井技術(shù)中通過脈沖電源控制中子管產(chǎn)生特定頻率與脈寬的中子脈沖[1]。脈沖電源給中子管內(nèi)離子源陽極高壓供電時(shí),離子源內(nèi)的氘氣體會(huì)被電離,電離后的氘離子經(jīng)加速后打在靶上,與靶中的氚發(fā)生核反應(yīng),放出14.1 MeV中子;離子源陽極電壓為0 伏時(shí),便沒有中子放出[2]。陽極脈沖高壓的供電時(shí)間和電源工作頻率決定放出的中子數(shù)量[3],為此本文研制了幅值2 kV的高壓小功率脈沖電源系統(tǒng),多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其脈寬與頻率可調(diào),輸出穩(wěn)定。

1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓脈沖電源系統(tǒng)的主要功能是將直流高壓電通過斬波的形式產(chǎn)生一定頻率和脈寬的脈沖高壓電, 并將其作為中子管離子源的陽極電壓, 使中子管產(chǎn)生與斬波脈沖一致的中子脈沖, 達(dá)到不同測(cè)井需求的應(yīng)用。 為了得到良好的2 kV高壓脈沖波形, 本文以MOSFET為開關(guān)器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖與頻率可調(diào)的高壓脈沖電源, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。 首先設(shè)計(jì)了直流高壓電源產(chǎn)生直流高壓, 再通過控制開關(guān)器件斬波, 將高壓直流電“斬”成方波式的脈沖高壓輸出, 給中子管內(nèi)部的離子源供電。 當(dāng)輸送給離子源陽極幅值為2 kV高電平電壓信號(hào)時(shí), 中子管工作并放出快中子; 離子源陽極為低電平, 即無電壓信號(hào)時(shí), 中子管不釋放中子, 這樣中子管便以脈沖形式釋放中子。 被放出的中子與井眼和地層物質(zhì)元素原子核相互作用, 測(cè)量經(jīng)地層慢化返回井眼的熱中子或伽馬射線[4], 可計(jì)算出含油飽和度和孔隙度。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 高壓直流電源設(shè)計(jì)

高壓直流電源由逆變電路和倍壓整流電路構(gòu)成, 其整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 逆變電路采用TL494給電路提供脈沖, 以MOS管20N60S5為主要開關(guān)部件。 TL494是一種固定頻率脈寬調(diào)制電路模塊[5], 能夠輸出單路或雙路的方波脈沖信號(hào)。 20N60S5是常用于開關(guān)電源的場(chǎng)效應(yīng)管, 它經(jīng)過觸發(fā)電路的控制和變壓器共同將直流供電逆變成高頻交流電, 再經(jīng)過倍壓整流電路后輸出所需的高壓直流電。

圖2 高壓直流電源結(jié)構(gòu)圖

高壓直流電源整體工作原理如圖3所示,逆變電路采用簡(jiǎn)單高效的單端反激式電路,由TL494組成的脈沖振蕩電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。脈沖為高電平時(shí),20N60S5導(dǎo)通,電流經(jīng)過變壓器原邊、開關(guān)管后流入地,此時(shí)在變壓器原邊產(chǎn)生了上正下負(fù)的電壓;當(dāng)TL494提供的脈沖低電平時(shí),20N60S5截止,變壓器原邊無電流,電壓為上負(fù)下正,這樣就將直流電逆變成了高頻交流電。該高頻交流電經(jīng)過倍壓整流得到所需的高壓直流電,倍壓整流電路采用的是半臂逆對(duì)稱式,在理想的情況下,輸出端電壓為

(1)

式中:N為變壓器初、次級(jí)的匝數(shù)比,N=N1∶N2;n為倍壓級(jí)數(shù);Uin為變壓器的初級(jí)供電電壓;δ為占空比,

(2)

因此,在n、N、δ一定時(shí),調(diào)節(jié)Uin就可得到連續(xù)可調(diào)的電壓。本文根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量采用了5倍壓整流電路得到所需的高壓值,經(jīng)測(cè)試能輸出幅值0～2kV連續(xù)可調(diào)的直流高壓。

圖3 高壓直流電源工作原理圖

3 斬波電路的設(shè)計(jì)

3.1 斬波電路的原理

圖4 斬波原理圖Fig.4 Schematic of chopping wave

首先由觸發(fā)電路利用脈寬調(diào)制(PWM)芯片產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào),將該信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET管。為了解決MOSFET耐壓低的問題,每一路又分別使用了兩只開關(guān)管串聯(lián),經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明MOS管串聯(lián)可提高開關(guān)的耐壓和電流的同時(shí)不會(huì)對(duì)開關(guān)前后沿產(chǎn)生太大影響。斬波原理如圖4所示,由圖4可知HV和GND兩端為所加的直流高壓,Q1和Q2是上半橋臂開關(guān)組,Q3和Q4是下半橋臂開關(guān)組。同步驅(qū)動(dòng)1與同步驅(qū)動(dòng)2是兩路相位相反的驅(qū)動(dòng)信號(hào),同步驅(qū)動(dòng)1控制著上半橋臂開關(guān)組,同步驅(qū)動(dòng)2控制著下半橋臂開關(guān)組。當(dāng)同步驅(qū)動(dòng)1高電平來臨時(shí),同步驅(qū)動(dòng)2無脈沖信號(hào),Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通,Q3和Q4同時(shí)關(guān)斷,負(fù)載R上得到峰峰值為電源電壓的方波脈沖;當(dāng)同步驅(qū)動(dòng)2高電平來臨時(shí),Q1和Q2同時(shí)關(guān)斷,Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通,負(fù)載R上電壓為零,隨著兩路開關(guān)管的通斷,在負(fù)載R上就可得到所需的高壓脈沖波形。負(fù)載波形的頻率可通過控制開關(guān)管的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié),同樣,改變開關(guān)的占空比也可以調(diào)節(jié)負(fù)載上脈沖的占空比。

3.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

圖5 SG3525觸發(fā)電路Fig.5 SG3525 trigger circuit

為了能得到良好的脈沖波形,觸發(fā)電路使用了SG3525,它是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司(Silicon General)推出的用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET的PWM控制器[6],它的工作電壓范圍寬8～35 V、內(nèi)含5.1 V基準(zhǔn)電源、死區(qū)時(shí)間可調(diào)、振蕩器工作頻率范圍寬100 Hz～400 kHz、雙路輸出,是目前比較理想的控制器[7]。觸發(fā)電路如圖5所示,SG3525使用推挽輸出的接法,13腳與15腳接VCC供電,12腳接地, 11腳與14腳輸出兩路互補(bǔ)的PWM波,死區(qū)時(shí)間由5腳、7腳共同決定,通過控制6腳電位器RW1的阻值和5腳電容C1的值改變兩路輸出脈沖的頻率,改變RW2的值可改變脈寬,使觸發(fā)電路輸出兩路相位相反,頻率、脈寬連續(xù)可調(diào),帶死區(qū)的脈沖方波。

3.3 隔離驅(qū)動(dòng)器件的選擇

高頻脈沖信號(hào)一般都是TTL 電平的數(shù)字量,其在高壓工作條件下無法滿足頻率和占空比改變的需求[8]。為了減少干擾,保證控制電路的正常工作,兩者之間有效的隔離至關(guān)重要。本系統(tǒng)選用光耦合器TLP250作為主要部件,其開關(guān)時(shí)間最大1.5 μs[9],隔離電壓2.5 kV,頻率最大25 kHz,使用隔離電源E0505模塊為其供電,通過該隔離驅(qū)動(dòng)器件實(shí)現(xiàn)了工作在2 kV高壓狀態(tài)下的主電路與工作在十幾伏低壓狀態(tài)的控制電路之間的隔離,保證了整體電路工作的穩(wěn)定性。

3.4 開關(guān)管的選擇

實(shí)驗(yàn)采用了直流斬波方式,其開關(guān)管直接決定著脈沖電路的工作特性與高壓脈沖電源輸出的好壞,需要選用可靠性高的全控型開關(guān)器件,使其能在受干擾出現(xiàn)誤導(dǎo)通時(shí)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的關(guān)斷[10]。由于全控開關(guān)器件中的GTO驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、開關(guān)速度低;IGBT器件雖然容量大、開關(guān)速度高,但不適用小電流小功率場(chǎng)合,且造價(jià)昂貴[11]。因此我們選用了價(jià)格適中、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單并且具有很高的開關(guān)速度的MOSFET作為開關(guān)器件[12]。由于目前國(guó)內(nèi)外還沒有耐壓值2 kV以上的MOSFET,通過使用兩只開關(guān)管相串聯(lián)的方式來滿足其耐壓需求。開關(guān)管的高頻工作狀態(tài)決定了它需選用一種可帶散熱片的封裝形式,綜合器件容量參數(shù)和工作狀態(tài)最后選取了美國(guó)安森美半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的NDUL03N150CG作為斬波電路的開關(guān)器件,其單個(gè)管子的最高工作電壓1.5 kV,工作電流2.5 A,功耗50 W。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)研制的高壓脈沖電源系統(tǒng)進(jìn)行了負(fù)載實(shí)驗(yàn),將斬波電路的輸出接在高阻值的阻性負(fù)載上,負(fù)載支路上的取樣電阻兩端能夠得到最小脈寬40 μs、頻率500 Hz～10 kHz可調(diào)的方波。因不同的測(cè)井方式需要的中子脈沖的頻率與脈寬均不同[13],測(cè)試了幾組典型的脈寬、頻率下脈沖電源系統(tǒng)輸出波形。圖6的(a)、(b)、(c)分別為頻率500 Hz、5 kHz、10 kHz時(shí),直流高壓輸出2 kV、負(fù)載阻值為2 MΩ條件下測(cè)試負(fù)載支路上2 kΩ取樣電阻的波形圖。由圖6可見,輸出波形有較快的前后沿,穩(wěn)定的高電平與低電平。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,本高壓脈沖電源帶入中子管時(shí)能夠給離子源提供重復(fù)頻率的脈沖高壓供電,使中子管以所需頻率的脈沖形式釋放中子。

(a) 頻率500 Hz時(shí)的波形; (b) 頻率5 kHz時(shí)的波形; (c) 頻率10 kHz時(shí)的波形。

5 結(jié) 語

本文以單端反激式逆變電路和半臂逆對(duì)稱式倍壓整流電路為基礎(chǔ)研制了高壓直流電源系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了斬波控制電路,實(shí)現(xiàn)了高壓狀態(tài)下的斬波功能。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了帶負(fù)載實(shí)驗(yàn),得到了不同脈寬與頻率下的上升沿、下降沿較好的輸出脈沖波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文研制的高壓脈沖電源系統(tǒng)輸出的脈沖波形頻率與脈寬連續(xù)可調(diào),性能良好,基本滿足了中子測(cè)井技術(shù)對(duì)中子管離子源的需要,拓展了離子源在測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用范圍。

[ 1 ]陳純鍇,喬雙,關(guān)雪梅. 用于非彈性散射譜和俘獲譜測(cè)量的高壓脈沖電源設(shè)計(jì)[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù), 2007(1):122-125.

[ 2 ]居法云,韋克平,王成林,等. 中子管離子源高壓脈沖電源[J]. 電力電子技術(shù), 2007(4):82-84.

[ 3 ]肖坤祥,周明貴. 中子發(fā)生器及其在石油測(cè)井中的應(yīng)用[C]∥中國(guó)工程物理研究院第七屆電子技術(shù)青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集, 2005:5.

[ 4 ]陳純鍇,關(guān)雪梅,喬雙. 用于中子管離子源電源的設(shè)計(jì)與saber仿真[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2008(11):37-40.

[ 5 ]劉宏軍. 250 kV便攜式高壓電源的設(shè)計(jì)[D]. 沈陽:沈陽師范大學(xué), 2013.

[ 6 ]王曉鋒,王京梅,孫俊,等. 基于SG3525的開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 電子科技, 2011(6):118-121.

[ 7 ]賴俊成. 可控高速高壓脈沖電源研究[D]. 哈爾冰:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

[ 8 ]沙占友,王彥朋,馬洪濤,等. 開關(guān)電源優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社, 2009:191-194.

[ 9 ]李金福. 離子源脈沖高壓電源的研制[D]. 長(zhǎng)春:東北師范大學(xué), 2012.

[10]趙軍平. 基于MOSFET的高重復(fù)頻率固體開關(guān)技術(shù)研究[D]. 北京:中國(guó)工程物理研究院, 2004.

[11]李成祖. 基于MOSFET串聯(lián)的高頻高壓脈沖方波源的研制[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2013.

[12]辛伊波,陳文清. 開關(guān)電源基礎(chǔ)與應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué), 2009:16-22.

[13]張鋒,袁超,王新光. 脈沖中子雙伽馬譜飽和度測(cè)井方法及數(shù)值模擬研究[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2010(10):2527-2533.

[14]譚堅(jiān)文,石立華,李炎新,等. 快前沿納秒高壓脈沖源的開發(fā)及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2004(11):1434-1436.

[15]陳天志. 2 000 V高壓250 kHz高頻非對(duì)稱脈沖電源設(shè)計(jì)[D]. 太原:中北大學(xué), 2008.

[16]任文平. 高壓直流發(fā)生器中斬波電路的設(shè)計(jì)[J]. 寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002(3):255-257.

[17]KARL H,SCHOENBACH S K,ROBERT H,et al. Bioelectrics-new applicantions for pulsed power technology[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2002,30(1):293-299.

[18]ARNTZ F,CASEY J,KEMPKES M,et al. Solid-state high voltage pulse power in the 10～100 nanosecond regime[C]∥Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland, 2006:203-207.

Research of the 2 kV high voltage pulse power supply for ion source in neutron tube

WULijuan,HOUBofeng,MENGDechua,YUGuiying

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The high voltage pulse power supply has been widely used in various scientific fields such as the electric field sterilization, the plasma generator, the laser technology, the neutron logging, etc. Among which, the pulsed neutron logging technology that belongs to the nuclear logging technique needs to use specific pulse and measuring temporal sequence. So a high voltage pulse power supply system which can be used in neutron logging technology was designed in this paper. A stable output DC high voltage power supply was synthesized by single-ended flyback inverter circuit and half-arm inverse symmetric voltage-multiplying rectifying circuit. The voltage resistance of MOSFET was solved by serial MOSFET. A chopper control circuit has been designed for chopping function at high pressure. The resistance load experiment is carried out with this system. The output pulse high voltage is 0～2 kV, with a frequency of 500 Hz～10 kHz which is continuous adjustable. The minimum pulse width of which is up to 40 μs. It verifies the feasibility of this plan after many experiments. In addition, this power supply has many advantages as low power consumption, small in size, low cost, etc. And it satisfies the power supply demand of logging neutron tube to ion source.

square wave pulse; high voltage power supply; neutron logging

2017-03-18。

遼寧省科技廳科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(20092069); 沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F14-231-1-37)。

吳麗娟(1964-),女,遼寧遼中人,沈陽師范大學(xué)教授,博士。

1673-5862(2017)03-0339-05

TN86

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.015