基于脈沖頻率調(diào)節(jié)機(jī)制的離子源高壓脈沖電源

張偉 國家罡

摘 要： 從實踐中來看我們所稱之為的高壓脈沖電源，它有著獨特的脈沖，同時也具備與之相對應(yīng)的測量操作流程，在多個領(lǐng)域和行業(yè)中有著十分顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，例如，電場除菌、激光操作、等離子體發(fā)生器等相關(guān)方面都能夠呈現(xiàn)出巨大的價值和作用。針對這樣的情況本文有針對性的分析和探究以脈沖頻率調(diào)節(jié)機(jī)制為基礎(chǔ)的數(shù)控高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)，對其所呈現(xiàn)出的穩(wěn)定電壓、功率比較低，而且體積小的特性進(jìn)行有效的驗證和分析，希望其射線管性能檢測系統(tǒng)在更大程度上充分滿足離子源的供電需求。

關(guān)鍵詞： 高壓脈沖電源;離子源;脈沖電源

中子發(fā)生器在具體的運行過程中，在很大程度上受到離子源性能的至關(guān)重要的直接影響，決定著它是采取持續(xù)性發(fā)射中子的方式，還是以脈沖的方式來發(fā)射中子，而針對離子源工作狀態(tài)而言，又在根本上取決于離子源結(jié)構(gòu)、磁場強(qiáng)度、離子源內(nèi)部壓力等相關(guān)方面的因素。離子源在不同的狀態(tài)下會呈現(xiàn)出不同的形式，例如，在直流狀態(tài)的工作形式，和脈沖狀態(tài)之下的工作形式是完全不同的，為了能夠在更大程度上確保電壓應(yīng)用更安全穩(wěn)定，相關(guān)人員就要更全面細(xì)致的分析和探究脈沖狀態(tài)的離子源特征。

一、高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

高壓脈沖電源在實際的運行過程中所呈現(xiàn)出的功能，是把直流電壓以斬波形式形成相對應(yīng)的脈沖高壓電，然后把它當(dāng)作中子管離子源的陽極電壓，與此同時進(jìn)一步結(jié)合相應(yīng)的需求，選擇更切實合理的中子脈沖。為了使高壓脈沖的波形呈現(xiàn)出良好的狀態(tài)，在本文中以MOSFET當(dāng)作開關(guān)元器件，設(shè)計出與之相對應(yīng)的脈沖和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)的高壓脈沖電源。這種電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖所示。[1]

從圖中我們能夠充分看出，在整體的系統(tǒng)中，應(yīng)用的電源是直流高壓電源，控制開關(guān)器件斬波能夠在更大程度上把高壓直流的斬成方波式的脈沖，對此進(jìn)行有針對性的輸出，然后，為中子管內(nèi)部離子源進(jìn)行電源的提供。

二、高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點

（一）脈沖頻率調(diào)制的基本原理分析

脈沖頻率調(diào)制方式通常情況下主要指的是，對于導(dǎo)通時間進(jìn)行有效固定，并且對于截止時間進(jìn)行有效改變，通過這樣的方法來切實有效地改變高壓脈沖電源頻率。在整體高壓脈沖電源系統(tǒng)的運行過程中，不管是輸入電壓還是負(fù)載有某種程度的變化，都會導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)變化，而這種情況使整個系統(tǒng)的電路穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響。假如輸出電壓又比較明顯的下降，系統(tǒng)為了使電壓足夠穩(wěn)定，就會縮短系統(tǒng)截止時間，而系統(tǒng)直流分量在短時間內(nèi)迅速的增加，由此就會進(jìn)一步嚴(yán)重影響高壓脈沖電源整個系統(tǒng)本身的安穩(wěn)運行。

（二）變壓器設(shè)計

反激式變壓器大多數(shù)都會有效利用初級繞組把接收的能量在磁性材料中進(jìn)行存儲，關(guān)斷初級回路后，再一次把能量向次級回路系統(tǒng)里面進(jìn)行傳輸。

（三）緩沖器的設(shè)計

針對系統(tǒng)開關(guān)應(yīng)力而言，主要涉及三種方式，分別為：減少漏電感，消耗電壓能量，把能量重新反饋到電源，第一種操作方式是抑制開關(guān)應(yīng)力，在這樣的情況下，要有效利用更為先進(jìn)的工藝來切實完成，針對后面兩種而言，在實踐的過程中要通過電感線圈、開關(guān)管并聯(lián)模式等相關(guān)措施進(jìn)行有效完成。

在反激具體操作環(huán)節(jié)，在變壓器中進(jìn)行存儲的初級電感會再次把能量向次級系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，次級回路里面包含著寄生電感、電容C1寄生電感、輸出線路漏感等，他們會折算重新回到初級電感，然后進(jìn)一步結(jié)合源極間的漏電容值于漏極電源里面進(jìn)行切實有效的分配，使其獲得全新的利用，在這樣的情況下過電壓形成開關(guān)應(yīng)力，會在很大程度上損壞管子，使其損壞程度進(jìn)一步加劇，針對這樣的情況，就需要采取切實可行的措施，使脈沖網(wǎng)絡(luò)得到限制。[2]

（四）過流保護(hù)

高壓脈沖電源系統(tǒng)的過流保護(hù)包括多種類型的保護(hù)手段，這樣能夠使整體門限操作受到限制和規(guī)范。過流保護(hù)操作的輸出電流，在具體的實現(xiàn)過程中，主要是利用負(fù)載串聯(lián)電阻。對于過流保護(hù)局限而言，盡可能有效應(yīng)用逐周過電流保護(hù)方式。在具體的操作過程中，于功率開關(guān)管上面串聯(lián)相對應(yīng)的電阻互感器/電流互感器，通過這種方法，對于功率開關(guān)管的瞬時間電流進(jìn)行有效檢測。若系統(tǒng)電流超過前，設(shè)定的瞬時電流限制值要采取及時有效的措施，把功率開關(guān)管進(jìn)行有效關(guān)閉，通過最快的速度對電路進(jìn)行保護(hù)。[3]

（五）電容放電電路

有針對性的結(jié)合電源的具體需求量，在輸出電壓斷電時，可以通過比較小的電阻進(jìn)行及時有效的放電，通過這種方法進(jìn)一步確保輸出的電壓數(shù)值，與矩形波有效吻合。針對高壓脈沖電源電路來說，在具體的運行過程中，通常情況下配備兩個17kV的晶體管，在Dis-C信號處于高電平狀態(tài)時，接通晶體管，然后有效利用R26進(jìn)行有針對性的放電，在操作整個系統(tǒng)的過程中，為了有效規(guī)避晶體管不同時導(dǎo)通，用穩(wěn)壓管保護(hù)好晶體管，使其免于被擊穿。

三、高壓脈沖電源測試結(jié)果

針對高壓脈沖電源測試結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)而言，在電源受到單片機(jī)的控制無法有序運行時，VTr的柵極驅(qū)動電壓波形的工作頻率約為80KHz，單片機(jī)控制信號頻率通常情況下是25Hz。在高壓脈沖電源系統(tǒng)控制信號處于低電平狀態(tài)，VTr的柵極不能出現(xiàn)輸出電壓以及驅(qū)動信號。

在測試電容放電時，單片機(jī)不能發(fā)射放電信號，對其測試后進(jìn)一步表明，在中子管探測系統(tǒng)中更有效地應(yīng)用高壓脈沖電源，能夠呈現(xiàn)出良好的效果，其中，該系統(tǒng)的操作能夠充分滿足離子源供電需要的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

四、結(jié)語

綜上所述，脈沖電源技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展和更新，可以持續(xù)供電，在工業(yè)化科技化的推進(jìn)之下，人們在生產(chǎn)生活中更有效地應(yīng)用脈沖電源技術(shù)，高壓脈沖電源的應(yīng)用優(yōu)勢十分顯著，系統(tǒng)如果有異常情況，高壓脈沖電源可以更有效的發(fā)揮其保護(hù)功能，同時不會對零部件造成負(fù)面影響，成效顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]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)，2007，41（4）：82-84.

[2]陳純鍇，關(guān)雪梅，喬雙.用于中子管離子源電源的設(shè)計與saber仿真[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2008（11）：67-70.

[3]翟衛(wèi)東，盧洪波.中子管離子源脈沖工作特性的研究[J].東北師大學(xué)報（自然科學(xué)版），2000，32（2）：36-38.

基金項目： 遼寧省工業(yè)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化項目（2018106012）;遼寧省“百千萬人才工程”資助項目（遼人社[2019]45號）;遼寧省自然科學(xué)基金項目（2019-MS-107）;遼寧省“興遼英才計劃”項目（XLYC1807168）