重复频率高压脉冲电源设计
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2020-10-26
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重复频率高压脉冲电源设计重复频率高压脉冲电源设计
本文利IGBT做主开关，通过脉冲变压器升压的方式来得到高压脉冲，采用工控计算机和数据采集控制卡对整个
系统进行控制。
重复频率高压脉冲产生技术是随着近代科学实验而发展起来的一门技术。主要是依据实验需求，产生不同幅值、频率和脉冲宽
度等参数的高压脉冲。目前在科学研究、工业生产、技术改造中得到越来越多的应用。5kV重复频率高压
系统总体设计系统总体设计
脉冲电源的主要指标要求：脉冲电压3～5kV可调；脉冲宽度2～20μs可调；脉冲频率1～200Hz可调；脉冲电流最大100A。根
据指标要求，所设计的系统原理框图如图l所示。
系统工作过程如下：由控制系统控制可调直流高压电源给储电容器充电，当充电电压达到设定值后，再控制
高压脉冲高压脉冲
依据指标要求，高压脉冲变压器的主要参数如下：变比设计为1：4；次级电压为5kV；初级电压为1．25kV；最大脉冲宽度为
20μs；频率最大为200Hz。脉冲变压器的伏一秒数为λ。
式中，N为匝数；U为电压；T为时间(脉冲宽度)；△B=Br+Bs(Br为剩余磁感应强度，Bs为饱和磁感应强度)；A为磁芯截面
积；S为磁芯填充系数。
将U=1．25kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料为非晶，△B为1．6T，A为0．0056m2，可求出原边N为3，由于变比是1：4，
所以次变匝数为12。由于脉冲为单极性，磁性还要考虑复位，复位电路原理图如图2所示。
图2中，V1为低压直流电源，R1为限流电阻。由V1通过R1提供一个直流电流给单匝复位线圈A。在高压脉冲变压器工作时，
单匝线圈A上会感应较高的电压，利用电感L1，电容C1和高压硅堆VD1对低压直流电源V1进行保护。
IGBT选取及驱动电路设计选取及驱动电路设计
由于脉冲变压器的次边最大电流为100A，变比为l：4，所以原边最大电流为400A，原边电压为1．25kV。IGBT的额定电流应
大于400A，额定电压应大于1．25kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，额定电压为3300V，额定电流为800A。
IGBT的触发信号要求一个脉冲宽度在2～20μs可调，脉冲幅度15V。脉冲频率l～200Hz可调的方波信号，具备短路和过流保护
功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组
为基础，外加必需的其他元件组成。
可调直流高压电源设计可调直流高压电源设计
可调直流高压电源由可控硅调压器、高压变压器、整流桥、储能电容器等几部分组成。工作过程如下：交流220V供给可控硅
调压模块，经过调压模块后输出交流0～220V，加在工频升压变压器的初级，变压器的次级输出经过全桥整流后，通过电感给
储能电容器充电。控制调压模块的输出电压，可以使电容器上的电压达到设定值。
当主回路输出高压脉冲电压为5kV、脉冲宽度为20μs、脉冲电流为100A时，单脉冲的能量为10J。考虑到输出脉冲的平顶，选
取储能电容器时，在其工作电压值时的储能为5倍单脉冲能量，即50J。工作电压为1．25kV，可求出电容值为64μF。
对于工频高压变压器，需确定其输出电压和功率等主要参数。主电路最大输出频率为200Hz，每次电容器要放出约10J的能
量，而对电容器的充电时间必须小于5ms，所以可求出变压器的平均功率为2kW。考虑工频高压变压器输出电压经过全桥整流
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