引言

磁控管測(cè)試臺(tái)的主要部件為高壓脈沖電源，該部件是磁控管測(cè)試臺(tái)的核心部件。該部件的主要功能為分別產(chǎn)生輸出電壓為-4500V、輸出電流大于等于10A、脈沖寬度分別為0．51μs和2．5μs的兩種脈寬，他們所對(duì)應(yīng)的輸出電壓都為-4500V。

通過(guò)電源箱架上的脈寬轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制，可以使脈沖電源輸出不同脈寬的脈沖，他們頻率也不相同，脈寬為0．5μs的脈沖對(duì)應(yīng)的輸出頻率為750Hz：脈寬為2．5μs的脈沖對(duì)應(yīng)的輸出頻率為250Hz。

1 脈沖電源工作原理

交流電壓220V 50Hz輸入后，分別送至高壓電源、控制電源及燈絲電源。其中高壓電源是線性電源，可以輸出最高1300V的直流高壓（連續(xù)可調(diào)），涉及的主要器件有：200W的調(diào)壓器，1：4．5的電源變壓器以及整流濾波系統(tǒng)。調(diào)制開關(guān)為4只MOS管IXFN32N120串聯(lián)開關(guān)，可以通過(guò)控制電路控制其開通和關(guān)斷。當(dāng)其開通時(shí)，便輸出1300V左右的直流高壓。當(dāng)其斷開時(shí)，輸出零電壓。均壓網(wǎng)絡(luò)的作用則是為了穩(wěn)定四個(gè)MOS管IXFN32N120上的電壓，由于這四個(gè)MOS管IXFN32N120的型號(hào)完全相同，因此為使這四個(gè)MOS管IXFN32N120能夠正常工作，加在它們上面的電壓也必須一樣。脈沖電源的觸發(fā)脈沖直接由脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，然后經(jīng)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路放大隔離后輸入至調(diào)制開關(guān)?？刂齐娐吠瑫r(shí)起到過(guò)壓過(guò)流保護(hù)作用，它先對(duì)將高壓電源的直流輸出電壓和電流取樣，并輸入控制電路，然后通過(guò)控制電路的比較分析，確認(rèn)是否過(guò)壓或者過(guò)流，若出現(xiàn)過(guò)壓或者過(guò)流，則控制電路輸出零電平，調(diào)制開關(guān)停止工作。當(dāng)調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通，高壓電源經(jīng)調(diào)制開關(guān)向脈沖變壓器初級(jí)放電，再經(jīng)1：4脈沖變壓器放大后輸出到磁控管負(fù)載。負(fù)載脈沖電壓最高為5000V。

1．1 高壓電源

根據(jù)技術(shù)要求，雖然該脈沖電源峰值功率為45kW，但平均功率很低，按脈沖工作狀態(tài)1計(jì)算，平均功率為17W；按脈沖工作狀態(tài)2計(jì)算，平均功率為28W。因此本設(shè)計(jì)的高壓電源按輸出功率為100W來(lái)設(shè)計(jì)足以滿足要求。

本設(shè)計(jì)的高壓電源采用線性電源，為便于電壓調(diào)整，輸入使用200W調(diào)壓器（TDGC2-0.2KVA），之后經(jīng)1：4．5電源變壓器升壓，并經(jīng)整流濾波后輸出直流高壓，其體電路見圖2，圖中的主要元器件參數(shù)為：

電源變壓器：輸入220V，變比1：4．5，功率100W

整流橋：DQL0503（3000V，0．5A）

濾波電感：1H，0．1A（自制）

濾波電容：1500V 60μF（自制）

在電源電路的輸出端有控制電路，它可以將提取的輸出電壓和輸出電流取樣，而且控制板具有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)功能，其過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)為1300V，過(guò)流保護(hù)點(diǎn)為0．1A，因此出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流任一故障，控制板都會(huì)封鎖觸發(fā)信號(hào)，使調(diào)制開關(guān)關(guān)斷，高壓電源也就無(wú)輸出。

1．2 控制電路

圖3所示為控制電路的電路圖。圖中，觸發(fā)輸入經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器以后與過(guò)流故障和過(guò)壓故障一起輸入一個(gè)與門。當(dāng)無(wú)過(guò)流故障或者過(guò)壓故障時(shí)，與門輸出端隨著觸發(fā)輸入端的電平變化而變化。當(dāng)存在過(guò)流故障或者過(guò)壓故障或者兩者兼而有之時(shí)，其輸入端將出現(xiàn)低電平，那么無(wú)論觸發(fā)輸入端的電平如何變化，與門輸出端都為低電平，即無(wú)電壓輸出。這樣就能保證在當(dāng)前取樣電流或者電壓出現(xiàn)過(guò)高時(shí)，調(diào)制開關(guān)能自動(dòng)關(guān)閉。

1．3 驅(qū)動(dòng)電路

圖4所示為調(diào)制開關(guān)每只MOS管的驅(qū)動(dòng)電路圖，其中，XS7的輸入是通過(guò)隔離變壓器輸入，其隔離電位為3000VDC，可以保證調(diào)制開關(guān)的對(duì)地絕緣。XS8的輸入為脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過(guò)控制器以后的輸入。IXDN414為高功率MOS驅(qū)動(dòng)。其輸入電源為經(jīng)過(guò)隔離后的低壓15V輸入，輸入信號(hào)是脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在其經(jīng)過(guò)IXDN414高功率MOS驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)以后，輸入至MOS管，實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS管的驅(qū)動(dòng)。

1．4 調(diào)制開關(guān)及均壓網(wǎng)絡(luò)

圖5所示為調(diào)制開關(guān)為4只MOS管串聯(lián)的組合開關(guān)電路圖。MOS管型號(hào)為IXYS公司的IXFN32N120，其電壓為：1200V，穩(wěn)態(tài)電流為：32A，脈沖電流為：128A，4只MOS管串聯(lián)后耐壓可達(dá)到4800V。該脈沖電源放電時(shí)，脈沖變壓器初級(jí)的脈沖電壓最大為1300V，脈沖電流為40A，因此該調(diào)制開關(guān)完全可滿足要求。圖5中，四個(gè)MOS管上面分別有一個(gè)穩(wěn)壓電路，電路中的電阻、電容以及穩(wěn)壓管系數(shù)取值都相等，故可以保證各個(gè)MOS管的正常工作。

1．5 輔助電源

該脈沖電源的輔助電源為控制電路電源和燈絲電源，它們均為朝陽(yáng)模塊電源。

控制電源為4NIC-K37．5，具有兩路輸出+15VDC2A，-15VDC0．5A，主要是為控制電路供電。

燈絲電源的要求為：輸出電壓：6．3V±5％DC。輸出電流：≥2A。設(shè)計(jì)中采用了朝陽(yáng)電源4NIC-X30．其輸出為0-10VDC可調(diào)，3A。將其

設(shè)為可調(diào)的目的是為了與燈絲匹配，在電源給燈絲加熱的過(guò)程中，功率既不能過(guò)高，以免燒掉燈絲，又不能過(guò)低，以免使燈絲工作在不正常狀態(tài)下，縮短燈絲壽命。

1．6 脈沖變壓器

脈沖變壓器為該脈沖電源的關(guān)鍵元件，它的作用是將高壓電源放電產(chǎn)生的脈沖放大到所需的脈沖高壓，變比為1：4，其中初級(jí)繞組為6匝，次級(jí)繞組為24匝。由于該脈沖電源為剛管調(diào)制器工作狀態(tài)，脈沖變壓器無(wú)充電電流去磁，因此在設(shè)計(jì)脈沖變壓器時(shí)必須注意鐵芯的飽和問(wèn)題。同時(shí)，由于該脈沖變壓器工作在兩種脈沖寬度狀態(tài)（0．5μs，2．5μs），其脈沖寬度較窄，等效頻率較高，因此該脈沖變壓器選用低Br的超微晶鐵芯。

由于燈絲電源必須通過(guò)脈沖變壓器的次級(jí)繞組輸出到磁控管的陰極及燈絲，脈沖變壓器的次級(jí)繞組采用雙繞組的方式，繞組導(dǎo)線除承受脈沖電流外還必須能夠承受2A的燈絲電流。

1．7 環(huán)境條件及安全性、可靠性、措施

該設(shè)計(jì)的環(huán)境條件應(yīng)滿足：溫度：-20℃-+40℃濕度：≤80％安全性應(yīng)滿足：此磁控管測(cè)試臺(tái)高壓輸出部分采用具有高壓隔離功能的防護(hù)罩對(duì)輸出接口進(jìn)行隔離，并對(duì)防護(hù)罩設(shè)置一簡(jiǎn)易智能電源關(guān)斷裝置，即一旦防護(hù)罩在測(cè)試臺(tái)使用過(guò)程中被打開，智能電源關(guān)斷裝置將自行切斷電源，以保證操作安全。

可靠性應(yīng)滿足：本測(cè)試臺(tái)的研制所采用的器件均系國(guó)內(nèi)外知名廠商生產(chǎn)，穩(wěn)定性高，因此保證了測(cè)試臺(tái)的可靠性。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了高壓脈沖電源的工作原理、主要設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過(guò)程以及各元部件的工作電路，選取的元器件等等。同時(shí)說(shuō)明了設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性、維修性以及環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)實(shí)際應(yīng)用中磁控管測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)具有一定價(jià)值。