浅析中子管离子源高压脉冲电源

国家罡

摘  要：高压脉冲电源拥有特定的脉冲和测量操作程序，在电场除菌、激光操作、等离子体发生器等领域起着十分重要的作用。随着社会经济和科技的发展，工业领域、油田领域等都开始需要应用脉冲电源。和传统高压直流供电电源相比，脉冲式电源显示出良好的性能，在低压脉冲电源的基础上出现了适用范围更广泛的高压脉冲电源。该文着重研究了1种基于脉冲频率调节机制的数控高压脉冲电源结构，并用其满足中子管检测系统对离子源的供电需求。

关键词：高压脉冲电源;中子;离子源;脉冲电源

中图分类号：TL822        文献标志码：A

中子发生器可以持续性发射中子，还可以以脉冲的方式发射中子并且深受离子源性能的影响，而离子源的工作状态深受离子源结构、磁场强度、阳极电压大小以及离子源内部压力大小的影响。同时，离子源在直流状态和脉冲状态下的工作形式不同，为了能够增强电压使用的安全性和稳定性，需要相关人员就脉冲状态下的离子源特点进行深入的研究。

1 高压脉冲电源的系统结构设计

高压脉冲电源在运行中的主要功能是将直流电压通过斩波的形式来产生具有一定频率、脉宽的脉冲高压电，之后将其作为中子管离子源阳极电压，并根据不同需求来选择中子脉冲。为了能够获得良好的高压脉冲波形，该文以MOSFET作为开关器件，设计出1种脉冲和频率可调的高压脉冲电源，该电源的系统结构如图1所示。

图1中可以看出整个系统设计了直流高压电源，能够产生直流高压，之后通过控制开关器件斩波会将高压直流变成方波式的脉冲有效输出，为中子管内部的离子源持续供电。

2 高压脉冲电源的系统结构特点

2.1 脉冲频率调制的基本原理分析

脉冲频率调制方式一般是指通过固定导通时间和改变截止时间来改变高压脉冲电源频率。在整个高压脉冲电源系统运作的过程中，不管是负载还是输入电压发生变化，都会在不同程度上引起输出电压的变化，这种变化还会干扰到系统的稳定电路。如果输出电压下降，系统通过稳定电压的时间和系统截止时间将会缩短，系统直流分量的快速增加会干扰高压脉冲电源系统的稳定。

2.1.1 变压器设计

反激式变压器一般会通过初级绕组将所接收到的能量存储在磁性材料中，当初级回路关断后，将能量重新传输到次级回路系统中。在具体操作时典型的变压器阻抗和反复绕组匝数关系不能够直接使用。

2.1.2 缓冲器的设计

抑制高压脉冲电源的系统开关应力一般包括3种方式。1）减少漏电感的操作方式。2）消耗电压能量的方式。3）将能量重新反馈到电源的操作模式。第一种抑制开关应力方式需要应用先进的工艺来完成，第二种和第三种则需要借助电感线圈、开关管并联模式、附加的线圈、定向二极管来实现。

在反激的过程中，存储在变压器的初级电感会将能量重新传输到次级系统中，次级回路中的寄生电感、电容C1寄生电感、输出线路漏感折算会回归到初级电感，并重新按照源极间的漏电容值重新分配在漏极电源中，这个时候过电压引起的开关应力就会加速管子的损坏，因此需要采取措施限制缓冲网络。

2.1.3 过流保护

高压脉冲电源的系统的过流保护主要包括平均电流门限检测、渐进性的过流保护等保护方式，通过这种方式来限制整个门限的操作。过流保护操作作用下的输出电流一般是通过在负载上串联电阻来实现的。如果检测到输出的电流接近最开始设计的限定数值，则会在一定程度上阻碍电压的误差，由此来限制整个电流。而如果电压输出过程中突然遇到阻碍因素，且没有及时采取措施保护功率开关，就会无法检测进入到饱和状态的磁性元件，最终严重损坏整个高压脉冲电源的系统的功率开关管。针对以上的过流保护局限，人们提出逐周过电流保护方式。通过在功率开关管上串联1个电阻互感器/电流互感器来更好地检测通过功率开关管的瞬时间电流。如果系统电流超过之前设定的瞬时电流限制值，就需要及时采取措施关闭功率开关管，由此以较快的速度保护电路。

2.1.4 输出电压通断开关的控制操作

高压脉冲电源的系统电源输出的最大电流为1 mA，最大功率为3 W，因而在高压脉冲电源的系统运行的时候可以通过限制电源电压和最大输出功率来实现对整个操作系统的控制，主要是对输出高压通断情况的控制。高压脉冲电源的系统可以通过高压继电器、高压晶闸管等来对整个系统高压输出情况进行控制。但是这种操控方式往往需要消耗较多的资金，适用范围十分有限。

2.1.5 电容放电电路

根据电源实际需求和电路应用性、经济性，在输出电压断电的时候可以利用小电阻快速放电，从而使得输出的电压数值能够更好地接近矩形波。高压脉冲电源电路采用了2個1.7 kV的晶体管，在Dis-C信号是高电平状态的时候，晶体管会被接通，之后通过R26进行放电。在整个系统操作时，为了防止晶体管不同时导通，可以通过采用稳压管来避免晶体管被击穿。

3 高压脉冲电源测试结果

从高压脉冲电源测试结果来看，在电源深受单片机控制而无法正常工作的时候，VTr的栅极驱动电压波形的工作频率在80 kHz左右，单片机给出的控制信号频率一般为25 Hz。在高压脉冲电源系统控制信号处于低电平状态的时候，VTr的栅极将不会产生驱动信号和输出电压。

在进行电容放电测试的时候，单片机不会发出放电信号，即在不通过放电电路的时候就能够进行放电。经过测试后发现高压脉冲电源适合应用于中子管探测系统，并且经过多次试验和测试后发现这个系统的操作基本达到了离子源供电所要求的技术指标。

4 结语

综上所述，脉冲电源技术是在20世纪30年代、60年代产生的一种新兴技术形式，经过很多年的发展，这类技术形式具备了持续供电的特点，随着工业化社会的深入开展，脉冲电源技术逐渐被人们应用到社会生活、生产的多个方面。根据该文分析，设计的高压脉冲电源具有能耗消耗少、体积小、重量轻、绝缘性能好、成本低、高压输出持续和电压性能稳定的应用优势，在高压脉冲电源系统出现异常故障的时候，高压脉冲电源不会因为启动保护功能而引起其他零部件的损害，更不会对他人造成伤害。

参考文献

[1]居法云，韦克平，王成林，等.中子管离子源高压脉冲电源[J].电力电子技术，2007，41（4）：82-84.

[2]陈纯锴，关雪梅，乔双.用于中子管离子源电源的设计与saber仿真[J].电源技术应用，2008（11）：67-70.

[3]翟卫东，卢洪波.中子管离子源脉冲工作特性的研究[J].东北师大学报（自然科学版），2000，32（2）：36-38.