模块化固体开关脉冲功率源触发技术

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1、第２２卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．７２０１０年７月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＪｕｌ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０７１６８２０５模块化固体开关脉冲功率源触发技术金晖，金晓，罗光耀（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳６２１９００）摘要：为满足高功率脉冲源小型化和高重复频率运行的研制需要，提出了一种基于固体开关（可控硅）的电感隔离型高压脉冲发生器触发控制设计方案。这种方案采用光纤收发器件及其驱动电路和高耐压脉冲变压器，研究了固体开关脉冲功率源控制技术中的触发信号高压隔

2、离、光分多路及脉冲变压器分立或并联使用等关键技术。给出了单模块触发控制电路的设计及测试结果：５级ＬＣ回路在每级充电电压４ｋＶ输入时，实现最终３２ｋＶ的输出，功率源模块输出／输入电压转换效率达到８０％。同时对其应用特点进行了分析和讨论。关键词：光电隔离；光分多路；高压隔离；固体开关中图分类号：ＴＭ７６２文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０７．１６８２［１３］在高功率脉冲源的研制进程中，小型化和脉冲重复频率的研究已经成为一种发展趋势。采用固体开关———可控硅，在一定程度上解决了传统脉冲功率发生器装置气体开关、液体开关所具有的

3、寿命短、损耗大、稳［３］定性较差、重复频率难以提高等缺点。基于可控硅的ＬＣ高压脉冲功率源研制，选择ＬＣ电感隔离型高压脉冲发生器，发生器的充放电由于采用电感隔离，充电时间快，易实现高重复频率，同时级间绝缘性能要求不高，［４５］易实现模块化、小型化。由于此类发生器所用开关是同步触发，对控制开关导通的同步、抖动性能、触发性［６８］能和触发绝缘、隔离提出了更高的要求。为此，本文对模块化固体开关脉冲功率源触发技术展开研究，提出一种触发控制设计方案：采用计算机产生触发信号，通过光纤代替电缆传输，有效隔离后端高压运行设备与前端弱电控制回路，既保证设备和人身的

4、安全，又避免传输过程中周围恶劣环境的干扰，同时提高传输距离；采用高耐压脉冲变压器连接触发控制单元与固体开关，一方面传递触发脉冲，另一方面对强弱电之间起到可靠的隔离作用。另外，控制系统采用电池供电，合理布局控制器件，使触发控制装置体积紧凑，确保开关导通的同步性和可靠性。１系统结构及工作原理图１是犖级ＬＣ高压脉冲发生器电路原理图，图中犆犻（犻＝１，２，…，２犖）为储能脉冲电容器，犔０为起始充电电感，Ｄ为充电硅堆，犔和犔为级间隔离等效电感，犔为每级放电电感，Ｑ为可控硅开关。采用恒流电源经０１２犔０对奇数级的犖个电容犆２犻－１（犻＝１，２，…，犖）充电至犝

5、０，对偶数级的犖个电容犆２犻（犻＝１，２，…，犖）充电至－犝０。然后控制系统产生控制脉冲触发可控硅Ｑ开关，使其同步导通，电压叠加使输出电压犞倍增为２犖犝。ｏｕｔ０Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆ犖ｓｅｒｉｅｓＬＣｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ图１犖级ＬＣ高压脉冲发生器电路原理图收稿日期：２００９１２０９；修订日期：２０１００１１１作者简介：金晖（１９７２—），女，硕士，主要从事脉冲功率源及测控技术研究；ｑｉｑｉｎ１＠１６３．ｃｏｍ。第７期金晖等：模块化固体开关脉冲功率源触发技术１６８３为使功率源体积紧凑，满足进一步小型

6、化的需求，系统采用模块化设计，通过参数计算和理论模拟得出：单模块ＬＣ高压脉冲发生器犖＝５时，发生器开路输出电压犞。在这样的高电压环境中，要确保触发控ｏｕｔ＝５０ｋＶ制单元正常工作，必须每级可靠隔离，单独采用锂电池组供电且不共地、高耐压脉冲变压器隔离以免开关导通时高压烧毁功率源前端控制设备，发生危险。同时，针对系统控制可靠性要求高、总体结构紧凑的特点，需要合理地运用微机控制和光纤通信技术，这里选用ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ开发软件和定时／计数卡来开发一个确定可靠的控制系统。２理论设计与分析２．１犔犆高压脉冲发生器控制系统设计控制系统由控制信号产生单元和

7、控制信号触发单元两大部分组成，二者之间通过单模光纤（工作波长为１３１０ｎｍ）进行连接。其中，控制系统工作参数设置（如：工作频率和工作次数等）、控制信号产生、输出信号隔离及转换（电／光）等功能在控制信号产生单元内实现，它位于操作者所在的工作区；放置于ＬＣ高压脉冲功率源侧的是控制信号触发单元，完成通过光纤传输而来的控制信号分离（由光分路器实现）、输入信号转换（光／电）、放大、隔离触发等功能。该控制系统结构如图２所示。Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ图２模块化脉冲功率源控制

8、系统结构框图２．２控制信号产生单元设计控制信号产生单元采用工业ＰＣ，内置ＮＩ定时／计数卡ＰＣＩ６６０２，利用ＬａｂＶＩＥ