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高压陡前沿脉冲发生装置
发布时间:2016-12-16 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]摘要：介绍了一种基于IGBT串联技术的频率可调的高压陡前沿脉冲发生装置。并针对串级型结构的固体开关式脉冲发生器存在的可靠性受同步驱动、均压等技术条件影响严重的问题,提出了利用光纤连接器提高驱动信号同步性等解决方案。利用OrCA塑封电感器D\PSpice软件对电路的仿真和与实际测试波形的对比结果证明,该装置工作可靠，输出脉冲电压峰峰值为±5kV，频率为1kHz～10kHz可调，脉冲前沿到达200纳秒以内。 叙词：纳秒级脉冲前沿 IGBT串联 光纤连接器 Abstract：This paper describe a frequency-adjustable high voltage steep共模电感器 rise time pulse generator based on the technology of IGBTs series. For the reliability of solid-state and series switch which is deeply affected by synchronous driver and voltage balance, switch driver synchronous circuits are presented, optical fibers are applied to transfer drive signal for IGBTs on floating voltage. Finally, with the simulation software OrCAD\PSpice, a simplified modulator model is established. Simulative waves confirms with modulator's actual performance well. Experiment proves that the modulator could work reliably. The output parameters are as fellow: the voltage output is 5kV,the rise time of the pulse is less than 200nsthe frequency of the pulse is adjustable from 1kHz10kHz. Keyword：Nanosecond rise time pulse, IGBT series connection, Fiber connection
1、引言目前，在大功率、高频率、窄脉冲的应用领域中利用的基本都是真空管，如：二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等。主要研究方向是如何提高电真空器件的开关速度，减小其触发晃动，研制与其相配的高速高压驱动电路。但是真空电子管这类器件存在损耗大、驱动电路庞大、冷却麻烦等缺点；同时，为了在速调管打火时对其进行快速保护，还经常需要在调制器中设置复杂的撬棒管及其触发电路，这些问题直接影响调制器的效率和可靠[1]。近年来，由于半导体器件的电压和功率等级不断提升，相关技术也在逐步完善，为解决上述问题创造了条件。基于该项技术发展趋势，本文设计了一种新型高压快脉冲发生器。
2、输出指标和基本结构
高电压、快脉冲和高重复率是脉冲功率装置的发展方向。高频化是减小系统体积的一个有效途径。本设计采用IGBT做为主开关器件，输出脉冲电压峰峰值为±5kV，频率为1kHz～10kHz可调，脉冲前沿200ns。
本高压快脉冲发生器的设计主要分为三部分：（1）可调高压直流发生器：使用工频交流电为电源，在低压部分经过整流、逆变电路产生低压脉冲，经脉冲变压器升压，成为高压脉冲再经不可控整流为高压直流。再将其作为高压直流电源提供给最后的高压脉冲发生部分。可调高压直流发生器结构如图1所示。
图1 可调高压直流发生器结构图
（2）高压脉冲发生部分：将高压直流电源提供的直流高压送入可控开关器件，产生所需要的高压脉冲。
（3）高压逆变控制和驱动部分：控制高压逆变过程中的开关器件的开通与关断。在控制方面采用基于PWM控制方法的芯片SG3525。在驱动电路方面，采用三菱公司的IGBT专用驱动芯片M57962L。
3、可调直流电压发生电路的设计
首先将工频交流电整流，拓扑结构选用的是半控桥式整流电路，开关器件选用的是双向晶闸管BTA20。单相半控桥式整流电路整流电压平均值如下式所示：
根据该公式，采用相位控制方式，即通过对低压整流部分使用的晶闸管的开通角进行控一体电感电感电压制，得到幅值可调的直流低压。控制芯片选用SIEMENS公司的TCA785相位控制专用芯片。同时，为了准确的识别交流电压零点，设计了零点识别电路。低压整流及控制电路原理图如图2所示。
图2 低压整流及控制电路原理图
低压逆变电路拓扑结构采用半桥逆变电路，开关器件选用电力场效应管MOSFET，型号为IRF840。MOSFET的快速关断过程中，线路中由于配线等原因而产生的电感中积蓄的能量释放和辅助回路中续流二极管反向恢复产生很高的浪涌电压。采取加缓冲电路的形式抑制或减小浪涌电压的幅值。本设计中缓冲电路为RCD关断缓冲电路，用于吸收器件的关断过电压和换向过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。
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