基于光電信號控制觸發(fā)的四路高壓脈沖源

李璽欽，吳紅光，丁明軍，劉云濤

（中國工程物理研究院 流體物理研究所，中物院脈沖功率科學與技術重點實驗室，四川 綿陽 621900）

隨著脈沖功率技術的飛速發(fā)展，越來越多功能各異的高壓脈沖源被廣泛應用到高功率脈沖領域中，來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。針對這種趨勢，脈沖功率裝置系統(tǒng)對高壓脈沖源輸出參數(shù)也提出了許多新的技術要求。特別是在多通道高功率脈沖觸發(fā)應用方面，高壓脈沖源輸出的脈沖波形（前沿及脈寬）和它的各觸發(fā)通道之間脈沖信號的分散性、抗干擾性能，以及這些技術參數(shù)的可靠性和穩(wěn)定性越來越被重視。為適應高功率脈沖裝置系統(tǒng)技術的發(fā)展，成功研制了一臺具有光、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)動電路控制高壓IGBT開關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，并給出了實驗結(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)動芯片IXDN414來作為四路高壓脈沖源前級觸發(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，是整個脈沖源系統(tǒng)的核心部分；而觸發(fā)輸入單元則是由光脈沖和電脈沖觸發(fā)電路兩個模塊構(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]。通過選擇手動或光、電脈沖觸發(fā)工作模式，一旦有觸發(fā)信號輸入，觸發(fā)控制電路將產(chǎn)生輸出一個幅度為5 V的脈沖信號，它通過專用光耦器件及專用驅(qū)動器后，產(chǎn)生一個幅度由5 V變換成15 V的正脈沖信號，去推動半導體高壓開關管（IGBT）；半導體高壓開關管（IGBT）動作后[5-9]，將在脈沖功率裝置負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，分別控制觸發(fā)后級脈沖功率裝置系統(tǒng)中四路高壓開關的導通。

2 電路設計

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)脈沖信號進行選擇和限制，將輸出的觸發(fā)脈沖信號，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]，實現(xiàn)對脈沖選擇電路中輸出的觸發(fā)脈沖信號進行整形及銳化，輸出產(chǎn)生一個電脈沖信號，供給光隔離及驅(qū)動電路。

光隔離及驅(qū)動電路是由高速光隔離器HCNW3120以及高速驅(qū)動器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，轉(zhuǎn)換成一幅度為15 V的觸發(fā)脈沖，用它去控制半導體開關管（IGBT）的開與關。采用光隔離及驅(qū)動電路，不僅可以將觸發(fā)脈沖幅度進行變換，而且還將系統(tǒng)中的前級觸發(fā)部分和后級高壓脈沖形成部分實現(xiàn)了物理上的隔離，對整個系統(tǒng)技術參數(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能和輸出兩個單元。主要是由高壓組件、儲能器件、半導體開關管及高壓脈沖輸出4部分組成。其中，儲能單元采用低電感、儲能密度和耐壓高的無極性電容；高壓開關放電管則采用半導體開關管（IGBT）；高壓脈沖輸出部分則又包括高壓儲能電容、高壓限流電阻和半導體高壓開關管器件。

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對高壓儲能電容C1進行充電；另一路則通過分壓電阻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，直接送至到IGBT高壓開關管的觸發(fā)極上，控制IGBT高壓開關管瞬間導通，高壓儲能電容C1的儲能能量則通過IGBT高壓開關管向負載放電，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。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 實驗結(jié)果

根據(jù)提出的設計理念，將高壓脈沖源通過進行一系列的系統(tǒng)調(diào)試實驗后，其各項技術指標均達到設計要求。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、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、負載為高阻狀態(tài)時輸出的高壓脈沖波形以及四路通道高壓脈沖信號之間延遲時間波形，如圖3所示。其主要技術參數(shù)達到：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，將第二路作為觸發(fā)源，另外三路與其進行延遲時間測試，其結(jié)果為第一路與第二路延遲時間為2.955 ns、第三路與第二路延遲時間為-4.161 ns、第四路與第二路延遲時間為-3.917 ns。輸出的四路高壓脈沖信號之間分散性均達到了小于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電壓時的高壓脈沖輸出波形；（b)為高壓脈沖源四路輸出600 V時的高壓脈沖信號之間延遲時間波形。通道測試分別采用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I控制來作為四路高壓脈沖源前級觸發(fā)單元的設計原理和方法，實現(xiàn)了在單次以及光、電脈沖觸發(fā)下，負載電壓幅度均可達到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分散性均小于10 ns。實驗證明，文中闡述的四路高壓脈沖源系統(tǒng)，通過對電路以及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了在輸出的脈沖波形（前沿及脈寬）、通道之間脈沖信號分散性以及功率回路的抗干擾等主要技術參數(shù)上，具有很好的一致性和穩(wěn)定性，證明了所采用的設計原理和方法是可行的。

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