5kV重復(fù)頻率高壓脈沖電源設(shè)計(jì)
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
脈沖電源的主要指標(biāo)要求：脈沖電壓3～5 kV可調(diào)；脈沖寬度2～20 μs可調(diào)；脈沖頻率1～200 Hz可調(diào)；脈沖電流最大100 A。根據(jù)指標(biāo)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖l所示。
系統(tǒng)工作過程如下：由控制系統(tǒng)控制可調(diào)直流高壓電源給儲(chǔ)能電容器充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值后，再控制IGBT按照設(shè)定的頻率和脈沖寬度導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊，最后由高壓脈沖變壓器升壓，產(chǎn)生所需的高壓脈沖加在負(fù)載上。
2 高壓脈沖變壓器設(shè)計(jì)
依據(jù)指標(biāo)要求，高壓脈沖變壓器的主要參數(shù)如下：變比設(shè)計(jì)為1：4；次級(jí)電壓為5 kV；初級(jí)電壓為1．25 kV；最大脈沖寬度為20μs；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數(shù)為λ。
式中，N為匝數(shù)；U為電壓；T為時(shí)間(脈沖寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度)；A為磁芯截面積；S為磁芯填充系數(shù)。
將U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T，A為0．005 6 m2，可求出原邊N為3，由于變比是1：4，所以次變?cè)褦?shù)為12。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復(fù)位，復(fù)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(gè)直流電流給單匝復(fù)位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時(shí)，單匝線圈A上會(huì)感應(yīng)較高的電壓，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對(duì)低壓直流電源V1進(jìn)行保護(hù)。
3 IGBT選取及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A，原邊電壓為1．25 kV。IGBT的額定電流應(yīng)大于400 A，額定電壓應(yīng)大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A。
IGBT的觸發(fā)信號(hào)要求一個(gè)脈沖寬度在2～20μs可調(diào)，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調(diào)的方波信號(hào)，具備短路和過流保護(hù)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(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)，外加必需的其他元件組成。
4 可調(diào)直流高壓電源設(shè)計(jì)
可調(diào)直流高壓電源由可控硅調(diào)壓器、高壓變壓器、整流橋、儲(chǔ)能電容器等幾部分組成。工作過程如下：交流220 V供給可控硅調(diào)壓模塊，經(jīng)過調(diào)壓模塊后輸出交流0～220 V，加在工頻升壓變壓器的初級(jí)，變壓器的次級(jí)輸出經(jīng)過全橋整流后，通過電感給儲(chǔ)能電容器充電?？刂普{(diào)壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達(dá)到設(shè)定值。
當(dāng)主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時(shí)，單脈沖的能量為10 J?？紤]到輸出脈沖的平頂，選取儲(chǔ)能電容器時(shí)，在其工作電壓值時(shí)的儲(chǔ)能為5倍單脈沖能量，即50 J。工作電壓為1．25 kV，可求出電容值為64μF。
對(duì)于工頻高壓變壓器，需確定其輸出電壓和功率等主要參數(shù)。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量，而對(duì)電容器的充電時(shí)間必須小于5 ms，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW?？紤]工頻高壓變壓器輸出電壓經(jīng)過全橋整流后，脈動(dòng)頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz，所以實(shí)際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會(huì)大于2 kW，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實(shí)際選取1．5 kV(峰值)。
5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。通過計(jì)算機(jī)控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量，用來(lái)控制調(diào)壓系統(tǒng)中 的可控硅調(diào)壓器的輸出。儲(chǔ)能電容器上的電壓經(jīng)過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計(jì)算機(jī)采集。計(jì)算機(jī)控制DO卡(數(shù)字量輸出)輸出控制信號(hào)控制各類啟動(dòng)開關(guān)和IGBT驅(qū)動(dòng)板輸出觸發(fā)信號(hào)。各類手動(dòng)面板的開關(guān)信號(hào)經(jīng)過DI卡(數(shù)字量輸入)，由計(jì)算機(jī)采集。
評(píng)論