燈絲電源抗30kV高壓反饋脈沖的可靠性設(shè)計

文 | 中國工程物理研究院電子工程研究所 陳靜 陳克難

燈絲電源抗30kV高壓反饋脈沖的可靠性設(shè)計

The High Reliability Design of The Filament Power Which Bears 30kV High Voltage Feedback Pulse

文 | 中國工程物理研究院電子工程研究所 陳靜 陳克難

本文著重討論如何解決當(dāng)某大功率裝置的大電流開關(guān)動作時，燈絲電源裝置抗30kV的高壓反饋脈沖的沖擊的問題，通過可靠性改進(jìn)措施，在高壓強(qiáng)流環(huán)境(尤其是單次高壓強(qiáng)流環(huán)境)中，為大電流開關(guān)燈絲的加熱提供了可靠的抗高壓強(qiáng)流沖擊的直流加熱電源。

Abstract:The filament power supplies device must bear 30kV high voltage feedback pulse surged when the strong currents switch is turned on, and it is burn easily. In this paper, a method of high reliability is introduced,which could deal with this problem. After taking some measurements, this equipment could provide stable power supplies for the heater filament.

可靠性；高壓隔離變壓器；大功率脈沖扼流圈

Key words:high reliability；high voltage isolation transformer；high voltage pulse choke

1 前言

燈絲加熱電源是為某大功率裝置大電流開關(guān)的燈絲提供加熱的直流穩(wěn)壓電源。該大電流開關(guān)在觸發(fā)動作時，會輸出一個幅度近30kV、脈寬約為10μS的高壓觸發(fā)脈沖，這個高壓觸發(fā)脈沖會返回到燈絲加熱電源裝置。若不采取措施，不僅會導(dǎo)致燈絲加熱電源裝置的損壞，而且所形成的短路通路可能致使大電流開關(guān)的管子被損壞；同時大電流開關(guān)在觸發(fā)的瞬間，由于大電容對地放電，致使地電流迅速增大，地電位也隨之迅速提高，這些突變，會通過～220V交流電來影響周圍其它的儀器設(shè)備，導(dǎo)致這些設(shè)備的損壞。

為了確保燈絲加熱電源能夠正常地工作，燈絲加熱電源本身必須具有抗高壓、強(qiáng)電流沖擊等功能。這就要求燈絲加熱電源，不僅要為大功率裝置大電流開關(guān)的燈絲的加熱提供四路高穩(wěn)定度的電源輸出，還必需具有抗大電流開關(guān)的反饋脈沖高壓及強(qiáng)電流的沖擊，并隔離與市電（220伏）的相互干擾等特性。

2 燈絲加熱電源抗高壓和強(qiáng)電流沖擊的可靠性設(shè)計

如何抗高壓強(qiáng)電流沖擊，是燈絲電源提高可靠性需要解決的首要問題。為此，我們開展了抗高壓強(qiáng)電流沖擊技術(shù)的研究。采用以下措施，以提高燈絲加熱電源的可靠性：

燈絲電源主要由高壓隔離變壓器、低壓電源、扼流圈及抗高壓組件等部件組成（見圖1）。

2.1 低壓電源：為大電流開關(guān)的燈絲提供高穩(wěn)定度的電源輸出；

2.2 高壓隔離變壓器：隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖通過電源對周圍儀器的影響；

2.3 扼流圈：阻遏反饋高壓峰電流的流入；

2.4 抗高壓組件：遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊。

以高壓隔離變壓器來抑制和降低竄入交流電源中的地電流和地電位突變對周圍儀器的影響；以抗高壓組件來遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊；用扼流圈來阻遏反饋高壓峰電流的流入，有效地減小能源裝置放電后的瞬時強(qiáng)電流對燈絲加熱電源的損害；通過采用這些措施有效地提高了燈絲電源的可靠性。

在低壓開關(guān)電路與氫閘管燈絲之間，串入電感量為16mH的并行雙扼流圈，對100kHz頻率信號能形成約6.3kΩ的阻抗。使高壓觸發(fā)反饋脈沖就有約3/4的峰壓降在了扼流圈上。

在低壓開關(guān)電路的輸入輸出與地之間，大量地使用了高壓旁路電容，用高壓電容和高壓二極管組成了抗高壓組件，遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊，以防止在低壓開關(guān)電路上所形成過高的峰值電壓，而損壞低壓開關(guān)電路的器件。

通過高壓隔離變壓器把設(shè)備電源與進(jìn)線電源隔離開來，這樣切斷了地環(huán)路，可以有效地抑制竄入交流電源中的地電流和地電位突變的干擾。

大電流開關(guān)在觸發(fā)時，高壓隔離變壓器可等效為大電容C；由于高壓電容的旁路作用，低壓開關(guān)電源模塊交流阻抗趨于零；大功率扼流圈等效為電感L（如圖2所示）。設(shè)計原則就是要使整個回路的交流阻抗盡可能的大，使流入的高壓峰電流盡可能的趨于零。

3 可靠性措施

3.1 高壓隔離變壓器

因此，利用高壓隔離變壓器斷開地環(huán)路來實(shí)現(xiàn)電隔離，以消除地電流、地電位的突變性及電源波動等通過～220V交流電對后面測試儀器的影響，所以在燈絲電源裝置中，高壓隔離變壓器是必不可少的。

高壓隔離變壓器屬于感性負(fù)載，能抑制電流的突變，能有效地減少大電流、減小電位突變性及電源波動等。并且在高壓隔離變壓器的輸入端接入高壓旁路電容，如圖3所示。這種連接對正常傳輸電流的阻抗是很低的，但對縱向噪聲電流來說，它卻有著很高的阻抗，能抑制從電源線引人的高壓脈沖對電源所產(chǎn)生的干擾，從根本上防止由于地電位擾動所引起的電源工作失常。

表1

3.2 大功率扼流圈

由于低壓開關(guān)電源的輸出工作電流達(dá)到了1.6 A，因此就要求扼流圈自身的直流阻抗要很小，使其自身的直流壓降很小；同時為了增加脈沖高壓在它上面的壓降，又要求它的交流阻抗要很大。為了得到較高的交流阻抗，在選擇扼流圈的磁芯時，要優(yōu)選導(dǎo)磁率高的磁芯。

按圖4所示電路連接，L為用2m長的φ1mm的高強(qiáng)度漆包線,分別在μ0=2k和μ0=7k的磁芯（Ф50mm×30mm×20mm）上繞制的扼流圈。當(dāng)輸入電壓為5V的正弦波信號時，通過測量輸出的電壓值，就可以得到L上交流阻抗的壓降的大小。因?yàn)橹髅}沖的脈寬為10μS，頻率應(yīng)選用100kHz，但僅有的SG503信號源沒有100kHz檔，所以只能利用信號源現(xiàn)有的50kHz和220kHz檔來做實(shí)驗(yàn)。

若交流阻抗高，L上的壓降就大，輸出的電壓值V0就低。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可以看出，在試驗(yàn)的頻段內(nèi)μ0=7k的磁芯的交流阻抗，優(yōu)于μ0=2k的磁芯的交流阻抗。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

我們在低壓開關(guān)電路與氫閘管燈絲之間，串入了電感量為10mH的并行雙扼流圈，對100kHz頻率信號能形成約6.3kΩ的阻抗。實(shí)驗(yàn)中我們測量到：在扼流圈兩端的高壓分別是16kV和6kV，因而高壓觸發(fā)反饋脈沖就有約10kV的峰壓降在了高壓脈沖扼流圈上。

同時在低壓開關(guān)電路的輸入輸出線間，及輸入輸出與地之間，大量地使用了高壓旁路電容，組成了抗高壓組件，遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊，以防止在低壓開關(guān)電路上所形成過高的峰值電壓，而損壞低壓開關(guān)電路的器件。實(shí)驗(yàn)中我們測量到低壓電源上的高壓已經(jīng)泄放到幾百伏，通過對低壓電源器件耐壓參數(shù)的冗余設(shè)計，保證了燈絲電壓在高壓強(qiáng)流特殊的應(yīng)用環(huán)境下的正常工作，滿足了可靠性的設(shè)計和使用要求。

此外，為了提高電源的可靠性，還采取了關(guān)鍵器件篩選老化、防高壓打火、電磁屏蔽、高頻高壓隔離和系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計等技術(shù)，以保證該電源的穩(wěn)定性和可靠性。同時在整機(jī)設(shè)計上，采用合理的電路及工藝，特別是接地、電磁屏蔽等，以隔離后級產(chǎn)生的高壓脈沖對前級的儀器干擾的影響。

結(jié)論

由于使用環(huán)境的特殊性，因此要求燈絲電源裝置，不光要提供四路獨(dú)立可調(diào)高穩(wěn)定度的直流輸出；而且本身要能抗住和隔離30kV峰壓的沖擊。由于采用了以上的可靠性措施，保證了燈絲加熱電源可靠地工作。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，在高壓強(qiáng)流特殊的應(yīng)用環(huán)境下，具有穩(wěn)定性好、抗高壓反饋干擾、強(qiáng)電流沖擊能力強(qiáng)等特性為處在高壓強(qiáng)流環(huán)境(尤其是單次高壓強(qiáng)流環(huán)境)中的儀器設(shè)備提供了一種可靠的抗高壓強(qiáng)流沖擊的直流電源。

[1] 復(fù)旦大學(xué)物理系 半導(dǎo)體線路 上海人民出版社 1972

[2] 王瑩 高功率脈沖電源 . 原子能出版社 . 1991

[3] （蘇） A.M.扎列茨基 高壓電器的絕緣 .機(jī)械工業(yè)出版社 . 1965

[4] （美） W.O.亨利 . 電子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù) . 人民鐵道出版社 . 1978

陳靜（1958年），女，工程師，中物院五所。