一種基于gl1551g型氫閘流管的高壓重頻脈沖源的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，由直流電源、能量儲存系統、脈沖功率開關、負載組成；能量儲存系統采用的是電容儲能方式；電容儲能的高壓脈沖源需要閉合開關，雙柵極氫閘流管就是屬于閉合開關中的氣體開關；負載應該選用無感負載；本實用新型利用FPGA來實現多脈沖源等間距延時輸出的方式，可以保證高壓脈沖源的高重復頻率可調，通過設計的氫閘流管柵極觸發電路，可以使得氫閘流管可以可靠的觸發導通，而主電路中電感量的減少，可以保證高壓脈沖源有快速的上升前沿以及輸出脈沖振蕩的消除。
【專利說明】—種基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種高壓重頻脈沖電源。
【背景技術】
[0002]具有納秒級上升前沿的高壓大電流重頻脈沖電源在加速器、核爆模擬、激光等離子體診斷、高分辨率雷達、電磁脈沖模擬器等生產和科研領域都有非常廣泛的應用。在一個脈沖功率系統中，直接從電網獲得一定波形要求的脈沖大功率是不可能的，一般都要借助于能量儲存系統先把能量在較長的時間里儲存起來，然后再瞬時釋放出來，以獲得脈沖強電流和大功率。
[0003]傳統的高功率脈沖源的輸出脈沖很難兼顧高壓、高重復頻率和快上升前沿的要求，國內外對亞us上升前沿的高壓大電流重頻脈沖功率技術均進行了大量的研究，如俄羅斯科學院大電流研究所的SINUS系列加速器，是重頻運行發展方向的典型代表。國內的主要有中國工程物理研究院的CHPOl裝置、西北核技術研究所的TPG700以及國防科技大學的Gff級緊湊重頻脈沖發生器裝置，部分裝置的性能指標達到了很高的水平。但是這些脈沖發生器基本上采用氣體火花開關，體積較大，結構復雜，并且由于氣體電離恢復以及開關電極表面燒蝕等因素的制約，在較高重頻下難以做到穩定可靠的重復導通和關斷。氫閘流管由于具有利用等離子體傳導大電流，卻不出現明顯的電極燒蝕現象的特點，以及具有壽命較長、重復頻率較高、晃動小的優點，使其成為高壓重頻脈沖源的主要器件而得到廣泛應用。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的在于提供一種基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，能夠使輸出脈沖有非常快的上升前沿、穩定可靠的觸發以及較小的抖動。
[0005]本實用新型的技術解決方案是:一種基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，由直流電源、能量儲存系統、脈沖功率開關、負載組成，工作原理為:交流市電通過變壓器升壓后，經過一個整流模塊以及限流電阻Rl后給電容C充電，當氫閘流管被觸發系統觸發導通后形成放電回路，電容放電形成脈沖，經過脈沖變壓器后輸出高壓脈沖。
[0006]所述能量儲存系統采用電容儲能方式，而相比于電感儲能方式需要開斷開關，電容儲能的高壓脈沖源需要閉合開關，氫閘流管就是屬于閉合開關中的氣體開關，本實用新型選用的GL1551G型氫閘流管是一種雙柵極氫閘流管，其中，儲氫器和陰極燈絲分別由低壓電源供電，用以控制陰極發射電子數及管內氣體密度，從而控制氫閘流管導通特性。
[0007]要達到高重頻的需要，可以通過適當減小重頻脈沖的間隔來有效增大某些頻率點的值，本實用新型利用FPGA來實現多脈沖源等間距延時輸出的方式，具體利用Altera公司的Cyclone II系列FPGA芯片EP2C35F672C6，設計出一個五路脈沖可以任意選用，且每路脈沖的周期、脈寬以及每兩路之間的延遲時間均可調，通過控制五路脈沖之間的延遲時間，來實現輸出高重復頻率的觸發脈沖。
[0008]為了保證氫閘流管可靠的觸發導通并且電流有較快的上升速度，氫閘流管柵極觸發脈沖應有較大的幅值、快速的前沿。
[0009]所述負載應選用無感負載，因為高壓脈沖源要求納秒級的脈沖前沿，而電路中電感量的存在會使得脈沖前沿變緩，并且輸出脈沖會有振蕩。
[0010]本實用新型的有益效果是:本實用新型利用FPGA實現的多脈沖源等間距延時輸出可以保證高壓脈沖源的高重復頻率可調，可達IOkHz ;通過設計的氫閘流管柵極觸發電路，可以使得氫閘流管可以可靠的觸發導通，而主電路中電感量的減少，可以保證高壓脈沖源有快速的上升前沿以及輸出脈沖振蕩的消除，可以實現輸出脈沖上升沿小于10ns，脈沖后沿大于500ns，幅值達到50kV，重復頻率達IOkHZ,使得輸出脈沖有非常快的上升前沿、穩定可靠的觸發以及較小的抖動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為高壓重頻脈沖源主電路結構示意圖。
[0012]圖2為雙柵極氫閘流管結構示意圖。
[0013]圖3為氫閘流管柵極觸發電路示意圖。
[0014]圖4為FPGA輸出觸發脈沖設計框圖。
【具體實施方式】
[0015]以下結合附圖，通過具體實施例對本實用新型技術方案做進一步的說明。
[0016]如圖1、圖2、圖3、圖4所示，圖1為高壓重頻脈沖源主電路結構示意圖；圖2為雙柵極氫閘流管結構示意圖；圖3為氫閘流管柵極觸發電路示意圖；圖4為FPGA輸出觸發脈沖設計框圖。
[0017]本實施例的高壓重頻脈沖源，在確定電路參數時，最需注意的是主電路的電感量，因為高壓脈沖源要求納秒級的脈沖前沿，單個脈沖前沿的陡度=0.7L/R，可見脈沖的陡度和主電路中的電感含量成正比，電路中電感量的存在會使脈沖前沿變緩，因此為了減小回路中的電感量，充電電容C需采用高壓無感電容，限流電阻Rl可采用無感金屬膜電阻，同時加大導線截面積，減小導線長度，此外，電路中的電感含量越小，輸出脈沖的抖動也會越小，因此負載部分也應采用無感負載，可選用硫酸銅水負載。
[0018]氫閘流管的工作過程是一種低氣壓氣體由隔離高電壓狀態向高導電狀態轉變的過程，給氫閘流管的陰陽極間加上額定的工作電壓，當柵極沒有接收到觸發脈沖之前，氫閘流管處于斷開狀態；當陰極燈絲和儲氫器的熱絲預熱3-5分鐘后，柵陰間儲存了大量的陰極熱發射的電子，柵極被加上觸發脈沖后，氫閘流管轉為閉合狀態，開始工作。
[0019]對于整個觸發脈沖的設計，首先將輸出脈沖需要的周期、脈寬以及不同路信號之間的延遲時間等數據輸入給上位機，上位機對這些數據處理后通過串口輸入給單片機，此時，在信號時鐘的作用下，單片機將這些數據依次輸入到FPGA的寄存器組模塊中。
[0020]FPGA部分的設計開發過程如附圖4所示，頂層文件采用原理圖輸入方式，總共將其分為寄存器組模塊、分頻器模塊、控制模塊、基準脈沖信號產生模塊、延遲時間控制模塊、輸出脈沖產生模塊以及啟動控制模塊。其中，寄存器組模塊的作用是用來存儲本設計中所需要的各組數據；分頻器模塊的作用是將FPGA內部時鐘進行分頻，以得到適合本設計的頻率；控制模塊的作用是提供使能信號給基準脈沖信號產生模塊以及提供置數信號給后面其余模塊；基準脈沖信號產生模塊的作用是作為此系統所需的五路脈沖輸出的基準脈沖，五路輸出脈沖可以自由調整相對于這個基準脈沖的延遲時間，以達到每兩路輸出脈沖之間的延遲時間可調；延時模塊是為五路輸出脈沖提供相對于基準脈沖的延遲時間控制；輸出脈沖產生模塊就是產生氫閘流管柵極觸發所需的觸發脈沖；啟動模塊是用來控制每一路脈沖的開啟與否。
[0021]FPGA產生的觸發脈沖先通過光耦隔離芯片TLP250后進入柵極驅動電路，開啟開關器件Q1，對于Ql的選擇上，商業器件中，高速大功率半導體開關器件有IGBT和M0SFET。IGBT開關的脈沖電流比較大，一般可以達到3000A，其工作電壓等級也比較高，通常可以達到3300V，但是其開關速度較慢，IGBT的典型開關速度一般小于200ns。而與IGBT相比，MOSFET盡管脈沖電流比較小，一般小于100A，工作電壓等級也不高，一般小于1200V，但是其速度比IGBT更快，典型的開關速度小于20ns，最快甚至可以達到5ns以內。因此，MOSFET是比IGBT更為理想的制作氫閘流管觸發電路的開關器件。考慮到氫閘流管第二柵極G2觸發電壓要求1000V-2000V，可以選擇的商業MOSFET器件較少，價格昂貴，因此在主電路上采用脈沖變壓器進行升壓，這樣就可以將初級電壓控制到320V左右，這樣既增加了器件的選擇余地，又降低了初級主電路的設計難度，同時還起到了低電平電路和氫閘流管主脈沖電路之間的隔離作用。
[0022]附圖3中標示的觸發脈沖輸入處是FPGA產生的觸發脈沖經過TLP250放大電路放大后輸出的脈沖，可知，當FPGA輸出脈沖到來之前，MOSFET Ql處于關斷狀態，220V交流市電經過整流模塊后濾波，再通過隔離電感LI向兩個并聯電容C3和C4充電，當FPGA產生的輸出脈沖經過TLP250應用電路放大后，觸發MOSFET Ql導通，此時，并聯電容C3和C4與脈沖變壓器Tl的初級繞組構成放電回路，產生脈沖電壓。在脈沖變壓器Tl的初級回路中，Dl和R2是用來抑制電路寄生電感儲能所產生的尖峰，起到了保護MOSFET Ql的作用；與脈沖變壓器Tl初級繞組并聯的R3和D2支路則用來吸收脈沖變壓器Tl上的電感儲能；在M0SFETQl的柵極和源極兩端并聯的D3是為了防止管子過壓擊穿。由于脈沖變壓器的變比是1:3，其次級輸出的脈沖電壓大約為1000V，其中R5=100Q是限流電阻，它相當于構成了觸發器的內阻。
[0023]對于GL1551G型氫閘流管，其第一柵極Gl并不要求有很高的脈沖電壓幅值和上升速率的脈沖，可以直接給Gl輸入75V-150V的直流電壓即可。
[0024]以上所述僅為本實用新型之較佳實施例而已，并非以此限制本實用新型的實施范圍，凡熟悉此項技術者，運用本實用新型的原則及技術特征，所作的各種變更及裝飾，皆應涵蓋于本權利要求書所界定的保護范疇之內。
【權利要求】
1.一種基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，包括主電路，其特征在于:由直流電源、能量儲存系統、脈沖功率開關、無感負載組成，交流市電通過變壓器升壓后，經過一個整流模塊以及限流電阻Rl后給電容C充電，當氫閘流管被觸發系統觸發導通后形成放電回路，電容C放電形成脈沖，經過脈沖變壓器后輸出高壓脈沖。
2.根據權利要求1所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:所述能量儲存系統采用電容儲能，電容儲能的高壓脈沖源通過氫閘流管氣體開關實現閉口 ο
3.根據權利要求1所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:所述電容C需采用高壓無感電容，所述限流電阻Rl可采用無感金屬膜電阻，所述無感負載采用硫酸銅水負載。
4.根據權利要求1所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:所述氫閘流管是一種GL1551G型雙柵極氫閘流管，所述氫閘流管的儲氫器和陰極燈絲分別由低壓電源供電，用以控制陰極發射電子數及管內氣體密度。
5.根據權利要求2所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:所述高壓脈沖源要求納秒級的脈沖前沿，單個脈沖前沿的陡度? =0.7L/R，可見脈沖的陡度和主電路中的電感含量成正比。
6.根據權利要求4所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:所述氫閘流管是一種低氣壓氣體由隔離高電壓狀態向高導電狀態轉變的氫閘流管，給氫閘流管的陰陽極間加上額定的工作電壓，當柵極沒有接收到觸發脈沖之前，氫閘流管處于斷開狀態；當陰極燈絲和儲 氫器的熱絲預熱3-5分鐘后，柵陰間儲存了大量的陰極熱發射的電子，柵極被加上觸發脈沖后，氫閘流管轉為閉合狀態，開始工作。
7.根據權利要求1所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:利用FPGA實現多脈沖源等間距延時輸出，且每路脈沖的周期、脈寬以及每兩路之間的延遲時間均可調。
8.根據權利要求4所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:FPGA共分為寄存器組模塊、分頻器模塊、控制模塊、基準脈沖信號產生模塊、延遲時間控制模塊、輸出脈沖產生模塊以及啟動控制模塊共7個模塊；其中，所述寄存器組模塊是用來存儲所需要的各組數據；所述分頻器模塊是將FPGA內部時鐘進行分頻，以得到適合的頻率；所述控制模塊是提供使能信號給所述基準脈沖信號產生模塊以及提供置數信號給后面其余模塊；所述基準脈沖信號產生模塊是作為五路脈沖輸出的基準脈沖，五路輸出脈沖自由調整相對于基準脈沖的延遲時間，以達到每兩路輸出脈沖之間的延遲時間可調；所述延遲時間控制模塊是為五路輸出脈沖提供相對于基準脈沖的延遲時間控制；所述輸出脈沖產生模塊產生氫閘流管柵極觸發所需的觸發脈沖；所述啟動控制模塊控制每一路脈沖的開啟與否。
9.根據權利要求8所述的基于GL1551G型氫閘流管的高壓重頻脈沖源，其特征在于:FPGA產生的觸發脈沖先通過光耦隔離芯片后進入柵極驅動電路，開啟開關器件；主電路上采用脈沖變壓器進行升壓。
【文檔編號】H02M9/04GK203734566SQ201420075009
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2014年2月21日
【發明者】張海波, 黃銳, 王兆明 申請人:南京冠亞電源設備有限公司