CN103795286A - 一种基于gl1551g型氢闸流管的高压重频脉冲源 - Google Patents
一种基于gl1551g型氢闸流管的高压重频脉冲源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，由直流电源、能量储存系统、脉冲功率开关、负载组成；能量储存系统采用的是电容储能方式；电容储能的高压脉冲源需要闭合开关，双栅极氢闸流管就是属于闭合开关中的气体开关；负载应该选用无感负载；本发明利用FPGA来实现多脉冲源等间距延时输出的方式，可以保证高压脉冲源的高重复频率可调，通过设计的氢闸流管栅极触发电路，可以使得氢闸流管可以可靠的触发导通，而主电路中电感量的减少，可以保证高压脉冲源有快速的上升前沿以及输出脉冲振荡的消除。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压重频脉冲电源。
背景技术
具有纳秒级上升前沿的高压大电流重频脉冲电源在加速器、核爆模拟、激光等离子体诊断、高分辨率雷达、电磁脉冲模拟器等生产和科研领域都有非常广泛的应用。在一个脉冲功率系统中，直接从电网获得一定波形要求的脉冲大功率是不可能的，一般都要借助于能量储存系统先把能量在较长的时间里储存起来，然后再瞬时释放出来，以获得脉冲强电流和大功率。
传统的高功率脉冲源的输出脉冲很难兼顾高压、高重复频率和快上升前沿的要求，国内外对亚us上升前沿的高压大电流重频脉冲功率技术均进行了大量的研究，如俄罗斯科学院大电流研究所的SINUS系列加速器，是重频运行发展方向的典型代表。国内的主要有中国工程物理研究院的CHP01装置、西北核技术研究所的TPG700以及国防科技大学的GW级紧凑重频脉冲发生器装置，部分装置的性能指标达到了很高的水平。但是这些脉冲发生器基本上采用气体火花开关，体积较大，结构复杂，并且由于气体电离恢复以及开关电极表面烧蚀等因素的制约，在较高重频下难以做到稳定可靠的重复导通和关断。氢闸流管由于具有利用等离子体传导大电流，却不出现明显的电极烧蚀现象的特点，以及具有寿命较长、重复频率较高、晃动小的优点，使其成为高压重频脉冲源的主要器件而得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，能够使输出脉冲有非常快的上升前沿、稳定可靠的触发以及较小的抖动。
本发明的技术解决方案是：一种基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，由直流电源、能量储存系统、脉冲功率开关、负载组成，工作原理为：交流市电通过变压器升压后，经过一个整流模块以及限流电阻R1后给电容C充电，当氢闸流管被触发系统触发导通后形成放电回路，电容放电形成脉冲，经过脉冲变压器后输出高压脉冲。
所述能量储存系统采用电容储能方式，而相比于电感储能方式需要开断开关，电容储能的高压脉冲源需要闭合开关，氢闸流管就是属于闭合开关中的气体开关，本发明选用的GL1551G型氢闸流管是一种双栅极氢闸流管，其中，储氢器和阴极灯丝分别由低压电源供电，用以控制阴极发射电子数及管内气体密度，从而控制氢闸流管导通特性。
要达到高重频的需要，可以通过适当减小重频脉冲的间隔来有效增大某些频率点的值，本发明利用FPGA来实现多脉冲源等间距延时输出的方式，具体利用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP2C35F672C6，设计出一个五路脉冲可以任意选用，且每路脉冲的周期、脉宽以及每两路之间的延迟时间均可调，通过控制五路脉冲之间的延迟时间，来实现输出高重复频率的触发脉冲。
为了保证氢闸流管可靠的触发导通并且电流有较快的上升速度，氢闸流管栅极触发脉冲应有较大的幅值、快速的前沿。
所述负载应选用无感负载，因为高压脉冲源要求纳秒级的脉冲前沿，而电路中电感量的存在会使得脉冲前沿变缓，并且输出脉冲会有振荡。
本发明的有益效果是：本发明利用FPGA实现的多脉冲源等间距延时输出可以保证高压脉冲源的高重复频率可调，可达10kHz；通过设计的氢闸流管栅极触发电路，可以使得氢闸流管可以可靠的触发导通，而主电路中电感量的减少，可以保证高压脉冲源有快速的上升前沿以及输出脉冲振荡的消除，可以实现输出脉冲上升沿小于10ns，脉冲后沿大于500ns，幅值达到50kV，重复频率达10kHZ，使得输出脉冲有非常快的上升前沿、稳定可靠的触发以及较小的抖动。
附图说明
图1为高压重频脉冲源主电路结构示意图。
图2为双栅极氢闸流管结构示意图。
图3为氢闸流管栅极触发电路示意图。
图4为FPGA输出触发脉冲设计框图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4所示，图1为高压重频脉冲源主电路结构示意图； 图2为双栅极氢闸流管结构示意图；图3为氢闸流管栅极触发电路示意图；图4为FPGA输出触发脉冲设计框图。
本实施例的高压重频脉冲源，在确定电路参数时，最需注意的是主电路的电感量，因为高压脉冲源要求纳秒级的脉冲前沿，单个脉冲前沿的陡度=0.7L/R，可见脉冲的陡度和主电路中的电感含量成正比，电路中电感量的存在会使脉冲前沿变缓，因此为了减小回路中的电感量，充电电容C需采用高压无感电容，限流电阻R1可采用无感金属膜电阻，同时加大导线截面积，减小导线长度，此外，电路中的电感含量越小，输出脉冲的抖动也会越小，因此负载部分也应采用无感负载，可选用硫酸铜水负载。
氢闸流管的工作过程是一种低气压气体由隔离高电压状态向高导电状态转变的过程，给氢闸流管的阴阳极间加上额定的工作电压，当栅极没有接收到触发脉冲之前，氢闸流管处于断开状态；当阴极灯丝和储氢器的热丝预热3-5分钟后，栅阴间储存了大量的阴极热发射的电子，栅极被加上触发脉冲后，氢闸流管转为闭合状态，开始工作。
对于整个触发脉冲的设计，首先将输出脉冲需要的周期、脉宽以及不同路信号之间的延迟时间等数据输入给上位机，上位机对这些数据处理后通过串口输入给单片机，此时，在信号时钟的作用下，单片机将这些数据依次输入到FPGA的寄存器组模块中。
FPGA部分的设计开发过程如附图4所示，顶层文件采用原理图输入方式，总共将其分为寄存器组模块、分频器模块、控制模块、基准脉冲信号产生模块、延迟时间控制模块、输出脉冲产生模块以及启动控制模块。其中，寄存器组模块的作用是用来存储本设计中所需要的各组数据；分频器模块的作用是将FPGA内部时钟进行分频，以得到适合本设计的频率；控制模块的作用是提供使能信号给基准脉冲信号产生模块以及提供置数信号给后面其余模块；基准脉冲信号产生模块的作用是作为此系统所需的五路脉冲输出的基准脉冲，五路输出脉冲可以自由调整相对于这个基准脉冲的延迟时间，以达到每两路输出脉冲之间的延迟时间可调；延时模块是为五路输出脉冲提供相对于基准脉冲的延迟时间控制；输出脉冲产生模块就是产生氢闸流管栅极触发所需的触发脉冲；启动模块是用来控制每一路脉冲的开启与否。
FPGA产生的触发脉冲先通过光耦隔离芯片TLP250后进入栅极驱动电路，开启开关器件Q1，对于Q1的选择上，商业器件中，高速大功率半导体开关器件有IGBT和MOSFET。IGBT开关的脉冲电流比较大，一般可以达到3000A，其工作电压等级也比较高，通常可以达到3300V，但是其开关速度较慢，IGBT的典型开关速度一般小于200ns。而与IGBT相比，MOSFET尽管脉冲电流比较小，一般小于100A，工作电压等级也不高，一般小于1200V，但是其速度比IGBT更快，典型的开关速度小于20ns，最快甚至可以达到5ns以内。因此，MOSFET是比IGBT更为理想的制作氢闸流管触发电路的开关器件。考虑到氢闸流管第二栅极G2触发电压要求1000V-2000V，可以选择的商业MOSFET器件较少，价格昂贵，因此在主电路上采用脉冲变压器进行升压，这样就可以将初级电压控制到320V左右，这样既增加了器件的选择余地，又降低了初级主电路的设计难度，同时还起到了低电平电路和氢闸流管主脉冲电路之间的隔离作用。
附图3中标示的触发脉冲输入处是FPGA产生的触发脉冲经过TLP250放大电路放大后输出的脉冲，可知，当FPGA输出脉冲到来之前，MOSFET Q1处于关断状态，220V交流市电经过整流模块后滤波，再通过隔离电感L1向两个并联电容C3和C4充电，当FPGA产生的输出脉冲经过TLP250应用电路放大后，触发MOSFET Q1导通，此时，并联电容C3和C4与脉冲变压器T1的初级绕组构成放电回路，产生脉冲电压。在脉冲变压器T1的初级回路中，D1和R2是用来抑制电路寄生电感储能所产生的尖峰，起到了保护MOSFET Q1的作用；与脉冲变压器T1初级绕组并联的R3和D2支路则用来吸收脉冲变压器T1上的电感储能；在MOSFET Q1的栅极和源极两端并联的D3是为了防止管子过压击穿。由于脉冲变压器的变比是1:3，其次级输出的脉冲电压大约为1000V，其中R5=100Ω是限流电阻，它相当于构成了触发器的内阻。
对于GL1551G型氢闸流管，其第一栅极G1并不要求有很高的脉冲电压幅值和上升速率的脉冲，可以直接给G1输入75V-150V的直流电压即可。
以上所述仅为本发明之较佳实施例而已，并非以此限制本发明的实施范围，凡熟悉此项技术者，运用本发明的原则及技术特征，所作的各种变更及装饰，皆应涵盖于本权利要求书所界定的保护范畴之内。
Claims (9)
1.一种基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，包括主电路，其特征在于：由直流电源、能量储存系统、脉冲功率开关、无感负载组成，交流市电通过变压器升压后，经过一个整流模块以及限流电阻R1后给电容C充电，当氢闸流管被触发系统触发导通后形成放电回路，电容C放电形成脉冲，经过脉冲变压器后输出高压脉冲。
2.根据权利要求1所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：所述能量储存系统采用电容储能，电容储能的高压脉冲源通过氢闸流管气体开关实现闭合。
3.根据权利要求1所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：所述电容C需采用高压无感电容，所述限流电阻R1可采用无感金属膜电阻，所述无感负载采用硫酸铜水负载。
4.根据权利要求1所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：所述氢闸流管是一种GL1551G型双栅极氢闸流管，所述氢闸流管的储氢器和阴极灯丝分别由低压电源供电，用以控制阴极发射电子数及管内气体密度。
5.根据权利要求2所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：所述高压脉冲源要求纳秒级的脉冲前沿，单个脉冲前沿的陡度ζ=0.7L/R，可见脉冲的陡度和主电路中的电感含量成正比。
6.根据权利要求4所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：所述氢闸流管是一种低气压气体由隔离高电压状态向高导电状态转变的氢闸流管，给氢闸流管的阴阳极间加上额定的工作电压，当栅极没有接收到触发脉冲之前，氢闸流管处于断开状态；当阴极灯丝和储氢器的热丝预热3-5分钟后，栅阴间储存了大量的阴极热发射的电子，栅极被加上触发脉冲后，氢闸流管转为闭合状态，开始工作。
7.根据权利要求1所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：利用FPGA实现多脉冲源等间距延时输出，且每路脉冲的周期、脉宽以及每两路之间的延迟时间均可调。
8.根据权利要求4所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：FPGA共分为寄存器组模块、分频器模块、控制模块、基准脉冲信号产生模块、延迟时间控制模块、输出脉冲产生模块以及启动控制模块共7个模块；其中，所述寄存器组模块是用来存储所需要的各组数据；所述分频器模块是将FPGA内部时钟进行分频，以得到适合的频率；所述控制模块是提供使能信号给所述基准脉冲信号产生模块以及提供置数信号给后面其余模块；所述基准脉冲信号产生模块是作为五路脉冲输出的基准脉冲，五路输出脉冲自由调整相对于基准脉冲的延迟时间，以达到每两路输出脉冲之间的延迟时间可调；所述延迟时间控制模块是为五路输出脉冲提供相对于基准脉冲的延迟时间控制；所述输出脉冲产生模块产生氢闸流管栅极触发所需的触发脉冲；所述启动控制模块控制每一路脉冲的开启与否。
9.根据权利要求8所述的基于GL1551G型氢闸流管的高压重频脉冲源，其特征在于：FPGA产生的触发脉冲先通过光耦隔离芯片后进入栅极驱动电路，开启开关器件；主电路上采用脉冲变压器进行升压。
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