10MeV輻射加工用電子加速器閘流管觸發電路的設計

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

輻射加工用電子加速器氫閘流管的傳統觸發方法是使用單向可控硅（MCR100-8），屬于電流型控制器件，其典型觸發電流小于200uA，觸發電路設計復雜，導通典型值在150～250ns之間，導致氫閘流管（CX1549）的柵極觸發沿上升慢，閘流管導通的延時時間長抖動大。不僅影響氫閘流管的運行可靠性，而且縮短其使用壽命。現今也有使用IGBT作為觸發電路的開關管。IGBT雖工作電壓等級較高，可達3000V以上，脈沖電流也可達3000A，但速度較慢。典型導通時間小于200ns。本文所采用的MOSFET管（APT50M38JLL）屬電壓型控制器件，導通時間在50ns以內，其漏源極電壓控制在500V以內，在電路設計里采用脈沖升壓變壓器升壓，可將其電壓升到600～2000V之間，滿足CX1549型氫閘流管的要求。其柵極觸發電壓在30V以內，典型值10～15V，僅需很小的觸發電流，100nA左右。相應觸發電路設計簡單，氫閘流管柵極觸發沿上升快。使得大大縮短了氫閘流管的導通延時時間，且抖動小。有效的提高了該氫閘流管的運行可靠性和使用壽命。

1 氫閘流管的導通條件

本文所采用的氫閘流管CX1549工作時需要兩路觸發脈沖，一路預觸發脈沖G1，另外一路觸發脈沖加在G2上，為主觸發信號。之所以采用預觸發與主觸發脈沖的觸發方式，是為了在主觸發之前，使閘流管柵極預點火，在柵極和陰極間形成柵流。這樣能使閘流管以穩定時間導通，減少高壓脈沖與觸發脈沖的時延在不同時刻的漂移。觸發脈沖G1加在氫閘流管的預點火極，電壓要求為600～2000V，電流10～40A。G2主觸發脈沖要求電壓為1000～2000V，實驗中取1200～2000V，脈沖上升沿要達到10kV/us的上升率。G2延遲G1的時間為0.5us，如圖1所示[1]。

圖1 1549閘流管示意圖

2 觸發電路的設計

2.1 觸發信號的產生

圖2 主(預)觸發信號產生信號

原始觸發信號由NE555定時器芯片的典型多諧振蕩器電路產生，產生一個幅值為15V，脈寬為2us的觸發信號。該信號加在兩片MC14528芯片組成的脈沖信號產生電路的輸入端，如圖2所示。

由一片MC14528的4腳檢測到輸入的觸發信號的上升沿，6腳輸出脈寬寬度由R25和C12的值調整。再由11腳檢測到6腳觸發脈沖的下降沿，由10腳輸出脈沖信號，再由R27、V5、V6、R28、R29、R30組成的達林頓管電流放大，輸出一個幅值為10V的預觸發信號。另外一片MC14528的4腳檢測到由上一片輸出的脈沖信號，由R35、C16、R37、C17值的計算調整使得輸出的主觸發信號幅值與預觸發信號幅值相同且延遲預觸發信號0.5us。

2.2 觸發脈沖電路

前述產生的觸發信號輸出到大功率MOSFET管的柵極，以控制該MOSFET管的導通及關斷。如圖3所示。

MOSFET管的漏源極兩端加300V的直流電壓在MOSFET關斷期間給電容C1充電，當MOSFET導通時C1通過MOSFET管給脈沖變壓器T1的初級線圈放電。放電時由于電感L1的存在，可以在MOSFET導通時有效防止300V電源瞬間對地短路，L1取1mH，1W，由于觸發脈沖比較窄，當L1飽和導通時，MOSFET已經關閉[2]。瞬變二極管TVS1可以保護MOSFET管的柵極由于過電壓而導致MOSFET管損壞的情況。R1提供了一個輔助回路，可分流過電流，同樣有效保護了MOSFET的柵極。TVS2如同TVS1保護柵極一樣，起到保護MOSFET的漏極防止MOSFET被擊穿。V2和R4組成的支路可以消耗掉T1初級電感的儲能。C2、R2、V1組成的支路可有效抑制電路寄生電感儲能產生的尖峰[3]，同樣起到保護MOSFET的作用。主觸發脈沖電路中的變壓器T1變比定位1:5，次級側電壓可達1500V。預觸發脈沖電路中變壓器變比為1:3，次級側電壓可達900V，電流達30～40A。所得觸發脈沖變壓器輸出指標均滿足CX1549型氫閘流管的觸發導通條件。

需要注意的是，變壓器T1兩側的接地端并非同一個接地點。不設同一接地點的目的，是用變壓器T1來隔離變壓器兩端的電路，保護變壓器T1初級側電路不受次級側電路高壓放電而導致器件被燒壞的情況出現。

3 實驗結果

前述由觸發脈沖電路產生的觸發脈沖滿足CX1549型閘流管G1和G2的觸發要求，實驗時首先給閘流管燈絲通電預熱10分鐘，然后將預觸發脈沖和主觸發脈沖加到G1和G2上，實驗結果如圖4、圖5所示

圖3 觸發脈沖電路

圖4 觸發脈沖電壓波形

圖5 觸發脈沖電流波形

圖4所示為通過自制分壓電路板采集到的閘流管G1和G2的觸發脈沖電壓波形，幅值高的為主觸發脈沖，前沿峰值可達1500V，幅值低的為預觸發脈沖電壓波形，前沿峰值可達900V。圖5所示為通過電流互感器測得的閘流管的觸發脈沖的電流波形，幅值高的為預觸發脈沖的電流波形，可達40A，幅值低的為主觸發的脈沖電流波形。由實驗結果觀察可得，上述閘流管觸發電路能良好使CX1549型氫閘流管工作。該氫閘流管觸發電路已應用于電物理中心10MeV輻射加工用電子加速器系統中[4]，該系統要求氫閘流管可在最高550Hz的開關頻率下實現25kV高壓的PFN對負載放電。觀察對負載的陽極電流，如圖6所示。

圖6 負載陽極電流

可知負載同樣處于正常且穩定工作狀態。

4 結論

通過以上思路設計的電路并結合實驗所得的結果可知，采用MOSFET管，型號為APT50M38JLL，可實現充電電容C1穩定快速的向脈沖變壓器T1放電。和傳統的傳統單向可控硅及IGBT為開關管的電路相比，本設計氫閘流管的觸發電路，減少了開關管觸發電路的功率放大的環節，電路設計更加簡單。并應用于北自所電物理中心的10MeV輻射加工用電子加速器系統中，通過觀察其實際運行結果，氫閘流管的工作狀態穩定。