灯丝电源抗30kV高压反馈脉冲的可靠性设计

文 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 陈静 陈克难

灯丝电源抗30kV高压反馈脉冲的可靠性设计

The High Reliability Design of The Filament Power Which Bears 30kV High Voltage Feedback Pulse

文 | 中国工程物理研究院电子工程研究所 陈静 陈克难

本文着重讨论如何解决当某大功率装置的大电流开关动作时，灯丝电源装置抗30kV的高压反馈脉冲的冲击的问题，通过可靠性改进措施，在高压强流环境(尤其是单次高压强流环境)中，为大电流开关灯丝的加热提供了可靠的抗高压强流冲击的直流加热电源。

Abstract:The filament power supplies device must bear 30kV high voltage feedback pulse surged when the strong currents switch is turned on, and it is burn easily. In this paper, a method of high reliability is introduced,which could deal with this problem. After taking some measurements, this equipment could provide stable power supplies for the heater filament.

可靠性；高压隔离变压器；大功率脉冲扼流圈

Key words:high reliability；high voltage isolation transformer；high voltage pulse choke

1 前言

灯丝加热电源是为某大功率装置大电流开关的灯丝提供加热的直流稳压电源。该大电流开关在触发动作时，会输出一个幅度近30kV、脉宽约为10μS的高压触发脉冲，这个高压触发脉冲会返回到灯丝加热电源装置。若不采取措施，不仅会导致灯丝加热电源装置的损坏，而且所形成的短路通路可能致使大电流开关的管子被损坏；同时大电流开关在触发的瞬间，由于大电容对地放电，致使地电流迅速增大，地电位也随之迅速提高，这些突变，会通过～220V交流电来影响周围其它的仪器设备，导致这些设备的损坏。

为了确保灯丝加热电源能够正常地工作，灯丝加热电源本身必须具有抗高压、强电流冲击等功能。这就要求灯丝加热电源，不仅要为大功率装置大电流开关的灯丝的加热提供四路高稳定度的电源输出，还必需具有抗大电流开关的反馈脉冲高压及强电流的冲击，并隔离与市电（220伏）的相互干扰等特性。

2 灯丝加热电源抗高压和强电流冲击的可靠性设计

如何抗高压强电流冲击，是灯丝电源提高可靠性需要解决的首要问题。为此，我们开展了抗高压强电流冲击技术的研究。采用以下措施，以提高灯丝加热电源的可靠性：

灯丝电源主要由高压隔离变压器、低压电源、扼流圈及抗高压组件等部件组成（见图1）。

2.1 低压电源：为大电流开关的灯丝提供高稳定度的电源输出；

2.2 高压隔离变压器：隔离高压触发反馈脉冲通过电源对周围仪器的影响；

2.3 扼流圈：阻遏反馈高压峰电流的流入；

2.4 抗高压组件：遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击。

以高压隔离变压器来抑制和降低窜入交流电源中的地电流和地电位突变对周围仪器的影响；以抗高压组件来遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击；用扼流圈来阻遏反馈高压峰电流的流入，有效地减小能源装置放电后的瞬时强电流对灯丝加热电源的损害；通过采用这些措施有效地提高了灯丝电源的可靠性。

在低压开关电路与氢闸管灯丝之间，串入电感量为16mH的并行双扼流圈，对100kHz频率信号能形成约6.3kΩ的阻抗。使高压触发反馈脉冲就有约3/4的峰压降在了扼流圈上。

在低压开关电路的输入输出与地之间，大量地使用了高压旁路电容，用高压电容和高压二极管组成了抗高压组件，遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击，以防止在低压开关电路上所形成过高的峰值电压，而损坏低压开关电路的器件。

通过高压隔离变压器把设备电源与进线电源隔离开来，这样切断了地环路，可以有效地抑制窜入交流电源中的地电流和地电位突变的干扰。

大电流开关在触发时，高压隔离变压器可等效为大电容C；由于高压电容的旁路作用，低压开关电源模块交流阻抗趋于零；大功率扼流圈等效为电感L（如图2所示）。设计原则就是要使整个回路的交流阻抗尽可能的大，使流入的高压峰电流尽可能的趋于零。

3 可靠性措施

3.1 高压隔离变压器

因此，利用高压隔离变压器断开地环路来实现电隔离，以消除地电流、地电位的突变性及电源波动等通过～220V交流电对后面测试仪器的影响，所以在灯丝电源装置中，高压隔离变压器是必不可少的。

高压隔离变压器属于感性负载，能抑制电流的突变，能有效地减少大电流、减小电位突变性及电源波动等。并且在高压隔离变压器的输入端接入高压旁路电容，如图3所示。这种连接对正常传输电流的阻抗是很低的，但对纵向噪声电流来说，它却有着很高的阻抗，能抑制从电源线引人的高压脉冲对电源所产生的干扰，从根本上防止由于地电位扰动所引起的电源工作失常。

表1

3.2 大功率扼流圈

由于低压开关电源的输出工作电流达到了1.6 A，因此就要求扼流圈自身的直流阻抗要很小，使其自身的直流压降很小；同时为了增加脉冲高压在它上面的压降，又要求它的交流阻抗要很大。为了得到较高的交流阻抗，在选择扼流圈的磁芯时，要优选导磁率高的磁芯。

按图4所示电路连接，L为用2m长的φ1mm的高强度漆包线,分别在μ0=2k和μ0=7k的磁芯（Ф50mm×30mm×20mm）上绕制的扼流圈。当输入电压为5V的正弦波信号时，通过测量输出的电压值，就可以得到L上交流阻抗的压降的大小。因为主脉冲的脉宽为10μS，频率应选用100kHz，但仅有的SG503信号源没有100kHz档，所以只能利用信号源现有的50kHz和220kHz档来做实验。

若交流阻抗高，L上的压降就大，输出的电压值V0就低。实验数据见表1，通过实验数据比较可以看出，在试验的频段内μ0=7k的磁芯的交流阻抗，优于μ0=2k的磁芯的交流阻抗。

4 实验验证

我们在低压开关电路与氢闸管灯丝之间，串入了电感量为10mH的并行双扼流圈，对100kHz频率信号能形成约6.3kΩ的阻抗。实验中我们测量到：在扼流圈两端的高压分别是16kV和6kV，因而高压触发反馈脉冲就有约10kV的峰压降在了高压脉冲扼流圈上。

同时在低压开关电路的输入输出线间，及输入输出与地之间，大量地使用了高压旁路电容，组成了抗高压组件，遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击，以防止在低压开关电路上所形成过高的峰值电压，而损坏低压开关电路的器件。实验中我们测量到低压电源上的高压已经泄放到几百伏，通过对低压电源器件耐压参数的冗余设计，保证了灯丝电压在高压强流特殊的应用环境下的正常工作，满足了可靠性的设计和使用要求。

此外，为了提高电源的可靠性，还采取了关键器件筛选老化、防高压打火、电磁屏蔽、高频高压隔离和系统稳定性设计等技术，以保证该电源的稳定性和可靠性。同时在整机设计上，采用合理的电路及工艺，特别是接地、电磁屏蔽等，以隔离后级产生的高压脉冲对前级的仪器干扰的影响。

结论

由于使用环境的特殊性，因此要求灯丝电源装置，不光要提供四路独立可调高稳定度的直流输出；而且本身要能抗住和隔离30kV峰压的冲击。由于采用了以上的可靠性措施，保证了灯丝加热电源可靠地工作。经实际应用证明，在高压强流特殊的应用环境下，具有稳定性好、抗高压反馈干扰、强电流冲击能力强等特性为处在高压强流环境(尤其是单次高压强流环境)中的仪器设备提供了一种可靠的抗高压强流冲击的直流电源。

[1] 复旦大学物理系 半导体线路 上海人民出版社 1972

[2] 王莹 高功率脉冲电源 . 原子能出版社 . 1991

[3] （苏） A.M.扎列茨基 高压电器的绝缘 .机械工业出版社 . 1965

[4] （美） W.O.亨利 . 电子系统噪声抑制技术 . 人民铁道出版社 . 1978

陈静（1958年），女，工程师，中物院五所。