抗高壓脈衝高穩定度燈絲電源

抗高壓脈衝高穩定度燈絲電源

陳 靜，劉文紅 發表於 2012-03-28 15:01:25

　　著重討論如何解決當桌大功率裝置的大電流開關動作時，燈絲電源裝置抗30 kV的高壓反饋脈衝的衝擊問題，通過抗高壓和強電流衝擊的設計，以低壓電源為大電流開關的燈絲提供高穩定度的電源輸出;以高壓隔離變壓器來隔離高壓觸發反饋脈衝通過電源對周圍儀器的影響;用扼流圈來阻遏反饋高壓峰電流的流入，有效地減少了大功率裝置放電後的瞬時強電流對燈絲加熱電源的損害;在高壓強流環境中，為大電流開關燈絲的加熱提供了可靠的抗高壓強流的直流加熱電源。

　　為了確保燈絲加熱電源能夠正常的工作，燈絲加熱電源本身必須具有抗高壓、強電流衝擊等功能。這就要求燈絲加熱電源，不僅要為大功率裝置大電流開關的燈絲加熱提供4路高穩定度的電源輸出，還必須具有抗大電流開關的反饋脈衝高壓及強電流的衝擊，並隔離與市電(220 V)的相互幹擾等特性。

　　1 燈絲電源裝置的設計思想

　　抗高壓高精度燈絲電源應具有以下特點：

　　(1)因為燈絲電壓的高低直接影響到大電流開關的觸發質量，如：燈絲電壓太低，陰極發射能力不足，增益會降低;燈絲電壓太高，陰極活性物過分蒸發，會導致大電流開關壽命縮短。因此要求燈絲電源必須提供高穩定度的電壓輸出。

　　(2)大電流開關的燈絲具有冷態電阻小，熱態電阻大的特點，燈絲電源在開機的瞬間易受浪湧電流(十幾安培)的衝擊，會影響其壽命。因此燈絲電源要具有抗大電流衝擊的能力。

　　(3)大電流開關觸發後，會反饋回一個幅度近30 kV脈衝電壓和100 kA脈衝電流的高壓脈衝，會直接損壞電源本身及影響周圍其他儀器。因此燈絲電源還要具有抗高壓反饋脈衝衝擊的能力。

　　為滿足以上要求，抗高壓高精度燈絲電源採用圖1的方法加以研究。

　　

　　1.1 隔離高壓觸發反饋脈衝幹擾技術

　　高壓隔離變壓器的設計是利用高壓隔離變壓器初次極間的電容所形成的交流阻抗並且斷開地環路來隔離高壓脈衝的衝擊。同時在高壓隔離變壓器的輸入端也接入高壓旁路電容，這樣就可以隔離高壓觸發反饋脈衝通過電源對後面測試儀器的影響。

　　將電源和儀器之間加入高壓隔離變壓器，可以起到阻斷耦合路徑的作用。接入高壓隔離變壓器後可以斷開地環路，如圖2所示。而且這種連接對正常傳輸電流的阻抗是很低的，但對縱向的噪聲電流來說，它卻有著很高的阻抗，即50 Hz的基波成分幾乎可以暢通無阻地通過，而高頻成分卻被削弱，所以在燈絲電源裝置中，高壓隔離變壓器是必不可少的。

　　

　　接入高壓隔離變壓器把設備電源與進線電源隔離開來，把噪聲於擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲幹擾的效果。可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲幹擾。隔離變壓器屬於感性負載，能抑制電流的突變，能有效地減少浪湧電流，減小電壓高低的突變性及電源波動等，抑制從電源線引入的高壓脈衝對電源產生幹擾;能從根本上防止由於地電位擾動所引起的電源工作失常。

　　1.2 抗大電流衝擊、高穩定度電源的技術

　　大電流開關的燈絲具有冷態電阻小，熱態電阻通電後逐漸增大的特點，因此在開機時直流電源易受浪湧電流(十幾安培)的衝擊，會影響到燈絲加熱電源的壽命和可靠性。同時為保證大電流開關的可靠性，穩定觸發及其壽命，要求燈絲加熱電源提供高穩定度的電壓輸出。

　　為此，低壓電源部分採用緩起動和集成穩壓技術來實現。以集成穩壓技術實現為大電流開關的燈絲提供高穩定度的電源輸出;以緩啟動技術實現阻遏開機瞬間浪湧電流(大於10A)對低壓電源的衝擊。

　　為了減小浪湧電流的衝擊，避免低壓開關電源提前損壞，在低壓開關電源電路的設計上採取措施，即將低壓開關電源電路與緩起動電路設計相接合。使燈絲電壓緩慢增加至額定值，使電流亦緩慢增加，從而避免了浪湧電流的衝擊。緩起動電路採取從零開始平滑提升的辦法，利用其輸出電壓相應改變的原理，達到了輸出電壓從零平滑升高的目的(見圖3)。

　　

　　它的基本電路結構框圖如圖4所示。緩起動電路的作用是對VAdj進行控制，使輸出電壓逐步形成一個上升的曲線，上升時間的長短可以藉助R3C3參數的調整，在較大的範圍內改變，剛開機時PNP電晶體導通，Adj的電位被Vces箝位得很低，使輸出電壓不能瞬間建立，隨著電容C3的充電，PNP電晶體最終達到截止，這時輸出電壓Vo=VAdj+Vces。達到了緩起動的目的，起到了對燈絲電源的穩流控制。

　　1.3 大功率扼流圈

　　由於低壓開關電源的輸出工作電流達到了1.6 A，因此要求扼流圈自身的直流阻抗很小，使其自身的直流壓降很小;同時為了增加脈衝高壓在它上面的壓降，又要求它的交流阻抗要很大。為了得到較高的交流阻抗，在選擇扼流圈磁芯時，要優選導磁率高的磁芯。

　　工作頻率遠高於截止頻率時，電阻增量遠大於電抗增量，阻抗增量接近電阻增量，此時扼流圈接近於一個電阻器，它不僅能抑制而且能吸收反饋脈衝的能量。

　　按圖5所示電路連接，L為用2 m長的φ1 mm的高強度漆包線，分別在μ0=2 kH/m和μ0=7 kH/m的磁芯(φ50 mm×30 mm×20 mm)上繞制的扼流圈(自製)。當輸入電壓為5 V的正弦波信號時，通過測量輸出的電壓值，就可以得到L上交流阻抗的壓降大小。因為主脈衝的脈寬為10μs，頻率應選用100 kHz，但僅有的SG503信號源沒有100 kHz檔，所以只能利用信號源現有的50 kHz和220 kHz檔來做實驗。實驗數據見表1。

　　

　　若交流阻抗高，L上的壓降就大，輸出的電壓值Vo就低。通過實驗數據比較可以看出，在試驗的頻段內μ0=7 kH/m的磁芯的交流阻抗，優於μ0=2 kH/m的磁芯的交流阻抗。

　　1.4 抗幹擾技術

　　(1)低壓開關電路的輸出直流電流達1.6 A，因此要求高壓脈衝扼流圈的直流電阻要很小，以使其直流壓降很小;為了增加反饋高壓脈衝在它上面的壓降，又要求它的交流阻抗很大。為了得到較高的交流阻抗，在扼流圈磁芯的選材上，要選磁導率高的磁芯。

　　(2)在低壓開關電路與氫閘管燈絲之間串入電感量為10 mH的並行雙扼流圈，使100 kHz的頻率信號能形成約6.3 kΩ的阻抗。因而高壓觸發反饋脈衝就有約3/4的峰值壓降在了高壓脈衝扼流圈上。

　　(3)在低壓開關電路的輸入/輸出線間，以及輸入/輸出與地之間，大量使用了高壓旁路電容，組成了抗高壓組件，遏制和洩放高壓反饋脈衝的衝擊，以防止在低壓開關電路上形成過高的峰值電壓，損壞低壓開關電源的器件。同時接地也採用「浮地」的方法來抑制環境的幹擾。

　　(4)高壓隔離變壓器在繞制時將初級和次級分開繞制，並加屏蔽來減少其分布電容，以提高抗幹擾能力。在220 V交流電源通過隔離變壓器後又加裝了濾波電路。這種濾波器對濾掉幹擾頻率有一定效果。因為L對較高頻率有一定的阻抗，從電容C來說，對高頻阻抗小，因此可以為幹擾頻率提供迴路，這對濾除幹擾有效。

　　大電流開關在動作時，高壓隔離變壓器等效為大電容C;由於高壓電容的旁路作用，此時的低壓開關電源模塊交流阻抗趨於零;高壓脈衝扼流圈等效為電感L。總之，要使整個迴路的交流阻抗儘可能大，使流入的高壓峰值電流趨於零。整個迴路可以等效為Γ型濾波電路，見圖6。

　　

　　2 實驗驗證

　　採用本文的抗幹擾技術進行了實驗。其結果：

　　(1)並行雙扼流圈：測量得到扼流圈兩端的高壓分別是16 kV和6 kV，因而高壓觸發反饋脈衝就有約10 kV的峰值電壓降在了高壓脈衝扼流圈上。

　　(2)旁路電路：測量得到低壓電源上的高壓已經洩放到幾百伏，通過對低壓電源器件耐壓參數的冗餘設計，保證了燈絲電壓在高壓強流特殊的應用環境下正常工作，滿足了可靠性設計和使用要求。

　　為了提高電源的可靠性，還採取了關鍵器件篩選老化、防高壓打火、電磁屏蔽、高頻高壓隔離和系統穩定性設計等技術，以保證該電源的穩定性和可靠性。同時在整機設計上，採用合理的電路及工藝，特別是接地、電磁屏蔽等，以隔離後級產生的高壓脈衝對前級儀器的幹擾影響。

　　3 結語

　　由於使用環境的特殊性，因此要求燈絲電源裝置，不光要提供4路獨立可調、高穩定度的直流輸出;還要讓其本身能抗住和隔離30 kV峰值電壓的衝擊。經實際應用證明，在高壓強流特殊的應用環境下，燈絲電源具有穩定性好，抗高壓反饋幹擾，強電流衝擊能力強等特性，為處在高壓強流環境(尤其是單次高壓強流環境)中的儀器設備提供了一種可靠的抗高壓強流衝擊直流電源。

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