中心議題：

• 高壓脈衝電源係統總體設計
• 高壓脈衝變壓器設計
• 可調直流高壓電源設計

解決方案：

• 對於工頻高壓變壓器需確定其輸出電壓和功率等主要參數
• 通過計算機控製AO卡輸出0～10V的模擬量控製調壓係統中的可控矽調壓器的輸出

重複頻率高壓脈衝產生技術是隨著近代科學實驗而發展起來的一門技術。主要是依據實驗需求

，產生不同幅值、頻率和脈衝寬度等參數的高壓脈衝。目前在科學研究
、工業生產、技術改造中得到越來越多的應用。5kV重複頻率高壓脈衝電源主要用於氣體的預電離
，在毛細管放電X線激光的研究中，預脈衝放電對氣體預電離被認為是產生X線激光的必要條件。本文利用IGBT做主開關
，通過脈衝變壓器升壓的方式來得到高壓脈衝
，采用工控計算機和數據采集控製卡對整個係統進行控製。

係統總體設計
　　
脈衝電源的主要指標要求：脈衝電壓3～5kV可調；脈衝寬度2～20μs可調
；脈衝頻率1～200Hz可調
；脈衝電流最大100A。根據指標要求，所設計的係統原理框圖如圖l所示。


係統工作過程如下：由控製係統控製可調直流高壓電源給儲能電容器充電，當充電電壓達到設定值後，再控製IGBT按(an)照(zhao)設(she)定(ding)的(de)頻(pin)率(lv)和(he)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)導(dao)通(tong)

，產(chan)生(sheng)脈(mai)衝(chong)電(dian)壓(ya)加(jia)在(zai)高(gao)壓(ya)脈(mai)衝(chong)變(bian)壓(ya)器(qi)原(yuan)邊(bian)，最(zui)後(hou)由(you)高(gao)壓(ya)脈(mai)衝(chong)變(bian)壓(ya)器(qi)升(sheng)壓(ya)，產(chan)生(sheng)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)壓(ya)脈(mai)衝(chong)加(jia)在(zai)負(fu)載(zai)上(shang)。
　　
高壓脈衝變壓器設計
　　
依據指標要求，高壓脈衝變壓器的主要參數如下：變比設計為1：4；次級電壓為5kV；初級電壓為1．25kV
；最大脈衝寬度為20μs
；頻率最大為200Hz。脈衝變壓器的伏一秒數為λ。



式中，N為匝數；U為電壓
；T為時間(脈衝寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩餘磁感應強度
，Bs為飽和磁感應強度)；A為磁芯截麵積；S為磁芯填充係數。
　　
將U=1．25kV；T=20μs代人式(2)
，磁芯材料為非晶
，△B為1．6T，A為0．0056m2，可求出原邊N為3
，由於變比是1：4
，所以次變匝數為12。由於脈衝為單極性，磁性還要考慮複位，複位電路原理圖如圖2所示。


　
圖2中，V1為低壓直流電源
，R1為限流電阻。由V1通過R1提供一個直流電流給單匝複位線圈A。在高壓脈衝變壓器工作時，單匝線圈A上會感應較高的電壓，利用電感L1

，電容C1和高壓矽堆VD1對低壓直流電源V1進行保護。
　　
IGBT選取及驅動電路設計
　　
由於脈衝變壓器的次邊最大電流為100A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400A，原邊電壓為1．25kV。IGBT的額定電流應大於400A，額定電壓應大於1．25kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3300V，額定電流為800A。
　　
IGBT的觸發信號要求一個脈衝寬度在2～20μs可調，脈衝幅度15V。脈衝頻率l～200Hz可調的方波信號，具備短路和過流保護功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其他元件組成。
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可調直流高壓電源設計
　　
可調直流高壓電源由可控矽調壓器、高壓變壓器、整流橋
、儲能電容器等幾部分組成。工作過程如下：交流220V供給可控矽調壓模塊，經過調壓模塊後輸出交流0～220V，加jia在zai工gong頻pin升sheng壓ya變bian壓ya器qi的de初chu級ji，變bian壓ya器qi的de次ci級ji輸shu出chu經jing過guo全quan橋qiao整zheng流liu後hou
，通tong過guo電dian感gan給gei儲chu能neng電dian容rong器qi充chong電dian。控kong製zhi調tiao壓ya模mo塊kuai的de輸shu出chu電dian壓ya
，可ke以yi使shi電dian容rong器qi上shang的de電dian壓ya達da到dao設she定ding值zhi。
　　
當主回路輸出高壓脈衝電壓為5kV、脈衝寬度為20μs、脈衝電流為100A時，單脈衝的能量為10J。考慮到輸出脈衝的平頂，選取儲能電容器時，在其工作電壓值時的儲能為5倍單脈衝能量，即50J。工作電壓為1．25kV
，可求出電容值為64μF。
　　
對於工頻高壓變壓器
，需確定其輸出電壓和功率等主要參數。主電路最大輸出頻率為200Hz，每次電容器要放出約10J的能量，而對電容器的充電時間必須小於5ms，所以可求出變壓器的平均功率為2kW。考慮工頻高壓變壓器輸出電壓經過全橋整流後，脈動頻率為100Hz，小於主電路的最大輸出頻率為200Hz，所以實際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大於2kW，可以選取5kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實際選取1．5kV(峰值)。

控製係統設計
　　
控製係統原理框圖如圖3所示。通過計算機控製AO卡(模擬量輸出)輸出0～10V的模擬量
，用來控製調壓係統中的可控矽調壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計算機采集。計算機控製DO卡(數字量輸出)輸出控製信號控製各類啟動開關和IGBT驅動板輸出觸發信號。各類手動麵板的開關信號經過DI卡(數字量輸入)
，由計算機采集。



實驗結果
　　
對係統各部分進行調試。用高壓探頭測試電壓波形，用羅果夫斯基線圈測試電流波形。測試的實驗波形如圖4
、圖5和圖6所示。



圖4中，縱坐標為電壓幅度值(2通道2kV／格，4通道200mV／格)。通道2為電壓波形，電壓約為5kV
，脈衝寬度為10μs
，上升沿小於lμs。通道4為電流波形
，電流值約85A(波形圖中比例為l：500)。圖5中，脈衝周期為5ms，重複頻率為200Hz。圖6中，縱坐標為電壓幅度值(1通道5kV／格，2通道2V／格)。l通道為放電電壓波形
，2通tong道dao為wei放fang電dian電dian流liu波bo形xing。從cong波bo形xing圖tu中zhong可ke以yi看kan出chu，脈mai衝chong當dang電dian壓ya加jia在zai氣qi體ti上shang時shi
，大da約yue經jing過guo幾ji微wei秒miao時shi間jian後hou，氣qi體ti發fa生sheng電dian離li。此ci時shi由you於yu分fen壓ya原yuan因yin
，電dian壓ya幅fu值zhi略lve有you下xia降jiang
，電dian流liu波bo形xing開kai始shi出chu現xian。在zai脈mai衝chong電dian壓ya加jia載zai期qi間jian，氣qi體ti維wei持chi了le電dian離li狀zhuang態tai。

以可調直流高壓電源、高壓IGBT

、高壓脈衝變壓器、工控計算機和數據采集控製卡為核心部件的5kV重複頻率高壓脈衝電源，具備脈衝電壓、脈mai衝chong頻pin率lv和he脈mai衝chong寬kuan度du等deng參can數shu可ke以yi同tong時shi調tiao節jie的de特te點dian
，為wei開kai展zhan其qi他ta指zhi標biao的de脈mai衝chong電dian源yuan研yan製zhi提ti供gong了le一yi種zhong可ke行xing的de技ji術shu途tu徑jing。從cong測ce試shi結jie果guo來lai看kan，整zheng個ge係xi統tong完wan全quan達da到dao了le指zhi標biao要yao求qiu，為wei開kai展zhan毛mao細xi管guan放fang電dianx線激光的研究提供了必要的研究條件。