抗高壓脈沖高穩(wěn)定度燈絲電源 - 全文

　　著重討論如何解決當(dāng)桌大功率裝置的大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，燈絲電源裝置抗30 kV的高壓反饋脈沖的沖擊問(wèn)題，通過(guò)抗高壓和強(qiáng)電流沖擊的設(shè)計(jì)，以低壓電源為大電流開(kāi)關(guān)的燈絲提供高穩(wěn)定度的電源輸出;以高壓隔離變壓器來(lái)隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖通過(guò)電源對(duì)周?chē)鷥x器的影響;用扼流圈來(lái)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后的瞬時(shí)強(qiáng)電流對(duì)燈絲加熱電源的損害;在高壓強(qiáng)流環(huán)境中，為大電流開(kāi)關(guān)燈絲的加熱提供了可靠的抗高壓強(qiáng)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(qiáng)電流沖擊等功能。這就要求燈絲加熱電源，不僅要為大功率裝置大電流開(kāi)關(guān)的燈絲加熱提供4路高穩(wěn)定度的電源輸出，還必須具有抗大電流開(kāi)關(guān)的反饋脈沖高壓及強(qiáng)電流的沖擊，并隔離與市電(220 V)的相互干擾等特性。

　　1 燈絲電源裝置的設(shè)計(jì)思想

　　抗高壓高精度燈絲電源應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

　　(1)因?yàn)闊艚z電壓的高低直接影響到大電流開(kāi)關(guān)的觸發(fā)質(zhì)量，如：燈絲電壓太低，陰極發(fā)射能力不足，增益會(huì)降低;燈絲電壓太高，陰極活性物過(guò)分蒸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致大電流開(kāi)關(guān)壽命縮短。因此要求燈絲電源必須提供高穩(wěn)定度的電壓輸出。

　　(2)大電流開(kāi)關(guān)的燈絲具有冷態(tài)電阻小，熱態(tài)電阻大的特點(diǎn)，燈絲電源在開(kāi)機(jī)的瞬間易受浪涌電流(十幾安培)的沖擊，會(huì)影響其壽命。因此燈絲電源要具有抗大電流沖擊的能力。

　　(3)大電流開(kāi)關(guān)觸發(fā)后，會(huì)反饋回一個(gè)幅度近30 kV脈沖電壓和100 kA脈沖電流的高壓脈沖，會(huì)直接損壞電源本身及影響周?chē)渌麅x器。因此燈絲電源還要具有抗高壓反饋脈沖沖擊的能力。

　　為滿(mǎn)足以上要求，抗高壓高精度燈絲電源采用圖1的方法加以研究。

　　1.1 隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖干擾技術(shù)

　　高壓隔離變壓器的設(shè)計(jì)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并且斷開(kāi)地環(huán)路來(lái)隔離高壓脈沖的沖擊。同時(shí)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(fā)反饋脈沖通過(guò)電源對(duì)后面測(cè)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后可以斷開(kāi)地環(huán)路，如圖2所示。而且這種連接對(duì)正常傳輸電流的阻抗是很低的，但對(duì)縱向的噪聲電流來(lái)說(shuō)，它卻有著很高的阻抗，即50 Hz的基波成分幾乎可以暢通無(wú)阻地通過(guò)，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(shè)備電源與進(jìn)線(xiàn)電源隔離開(kāi)來(lái)，把噪聲于擾的路徑切斷，從而達(dá)到抑制噪聲干擾的效果?？梢杂行У匾种聘Z入交流電源中的噪聲干擾。隔離變壓器屬于感性負(fù)載，能抑制電流的突變，能有效地減少浪涌電流，減小電壓高低的突變性及電源波動(dòng)等，抑制從電源線(xiàn)引入的高壓脈沖對(duì)電源產(chǎn)生干擾;能從根本上防止由于地電位擾動(dòng)所引起的電源工作失常。

　　1.2 抗大電流沖擊、高穩(wěn)定度電源的技術(shù)

　　大電流開(kāi)關(guān)的燈絲具有冷態(tài)電阻小，熱態(tài)電阻通電后逐漸增大的特點(diǎn)，因此在開(kāi)機(jī)時(shí)直流電源易受浪涌電流(十幾安培)的沖擊，會(huì)影響到燈絲加熱電源的壽命和可靠性。同時(shí)為保證大電流開(kāi)關(guān)的可靠性，穩(wěn)定觸發(fā)及其壽命，要求燈絲加熱電源提供高穩(wěn)定度的電壓輸出。

　　為此，低壓電源部分采用緩起動(dòng)和集成穩(wěn)壓技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。以集成穩(wěn)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)為大電流開(kāi)關(guān)的燈絲提供高穩(wěn)定度的電源輸出;以緩啟動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)阻遏開(kāi)機(jī)瞬間浪涌電流(大于10A)對(duì)低壓電源的沖擊。

　　為了減小浪涌電流的沖擊，避免低壓開(kāi)關(guān)電源提前損壞，在低壓開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)上采取措施，即將低壓開(kāi)關(guān)電源電路與緩起動(dòng)電路設(shè)計(jì)相接合。使燈絲電壓緩慢增加至額定值，使電流亦緩慢增加，從而避免了浪涌電流的沖擊。緩起動(dòng)電路采取從零開(kāi)始平滑提升的辦法，利用其輸出電壓相應(yīng)改變的原理，達(dá)到了輸出電壓從零平滑升高的目的(見(jiàn)圖3)。

　　它的基本電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。緩起動(dòng)電路的作用是對(duì)VAdj進(jìn)行控制，使輸出電壓逐步形成一個(gè)上升的曲線(xiàn)，上升時(shí)間的長(zhǎng)短可以借助R3C3參數(shù)的調(diào)整，在較大的范圍內(nèi)改變，剛開(kāi)機(jī)時(shí)PNP晶體管導(dǎo)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晶體管最終達(dá)到截止，這時(shí)輸出電壓Vo=VAdj+Vces。達(dá)到了緩起動(dòng)的目的，起到了對(duì)燈絲電源的穩(wěn)流控制。

　　1.3 大功率扼流圈

　　由于低壓開(kāi)關(guān)電源的輸出工作電流達(dá)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(shí)為了增加脈沖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(shí)，要優(yōu)選導(dǎo)磁率高的磁芯。

　　工作頻率遠(yuǎn)高于截止頻率時(shí)，電阻增量遠(yuǎn)大于電抗增量，阻抗增量接近電阻增量，此時(shí)扼流圈接近于一個(gè)電阻器，它不僅能抑制而且能吸收反饋脈沖的能量。

　　按圖5所示電路連接，L為用2 m長(zhǎng)的φ1 mm的高強(qiáng)度漆包線(xiàn)，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(自制)。當(dāng)輸入電壓為5 V的正弦波信號(hào)時(shí)，通過(guò)測(cè)量輸出的電壓值，就可以得到L上交流阻抗的壓降大小。因?yàn)橹髅}沖的脈寬為10μs，頻率應(yīng)選用100 kHz，但僅有的SG503信號(hào)源沒(méi)有100 kHz檔，所以只能利用信號(hào)源現(xiàn)有的50 kHz和220 kHz檔來(lái)做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較可以看出，在試驗(yàn)的頻段內(nèi)μ0=7 kH/m的磁芯的交流阻抗，優(yōu)于μ0=2 kH/m的磁芯的交流阻抗。

　　1.4 抗干擾技術(shù)

　　(1)低壓開(kāi)關(guān)電路的輸出直流電流達(dá)1.6 A，因此要求高壓脈沖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沖在它上面的壓降，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(dǎo)率高的磁芯。

　　(2)在低壓開(kāi)關(guān)電路與氫閘管燈絲之間串入電感量為10 mH的并行雙扼流圈，使100 kHz的頻率信號(hào)能形成約6.3 kΩ的阻抗。因而高壓觸發(fā)反饋脈沖就有約3/4的峰值壓降在了高壓脈沖扼流圈上。

　　(3)在低壓開(kāi)關(guān)電路的輸入/輸出線(xiàn)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，遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊，以防止在低壓開(kāi)關(guān)電路上形成過(guò)高的峰值電壓，損壞低壓開(kāi)關(guān)電源的器件。同時(shí)接地也采用“浮地”的方法來(lái)抑制環(huán)境的干擾。

　　(4)高壓隔離變壓器在繞制時(shí)將初級(jí)和次級(jí)分開(kāi)繞制，并加屏蔽來(lái)減少其分布電容，以提高抗干擾能力。在220 V交流電源通過(guò)隔離變壓器后又加裝了濾波電路。這種濾波器對(duì)濾掉干擾頻率有一定效果。因?yàn)長(zhǎng)對(duì)較高頻率有一定的阻抗，從電容C來(lái)說(shuō)，對(duì)高頻阻抗小，因此可以為干擾頻率提供回路，這對(duì)濾除干擾有效。

　　大電流開(kāi)關(guān)在動(dòng)作時(shí)，高壓隔離變壓器等效為大電容C;由于高壓電容的旁路作用，此時(shí)的低壓開(kāi)關(guān)電源模塊交流阻抗趨于零;高壓脈沖扼流圈等效為電感L?？傊?，要使整個(gè)回路的交流阻抗盡可能大，使流入的高壓峰值電流趨于零。整個(gè)回路可以等效為Γ型濾波電路，見(jiàn)圖6。

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　采用本文的抗干擾技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果：

　　(1)并行雙扼流圈：測(cè)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(fā)反饋脈沖就有約10 kV的峰值電壓降在了高壓脈沖扼流圈上。

　　(2)旁路電路：測(cè)量得到低壓電源上的高壓已經(jīng)泄放到幾百伏，通過(guò)對(duì)低壓電源器件耐壓參數(shù)的冗余設(shè)計(jì)，保證了燈絲電壓在高壓強(qiáng)流特殊的應(yīng)用環(huán)境下正常工作，滿(mǎn)足了可靠性設(shè)計(jì)和使用要求。

　　為了提高電源的可靠性，還采取了關(guān)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(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等技術(shù)，以保證該電源的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)在整機(jī)設(shè)計(jì)上，采用合理的電路及工藝，特別是接地、電磁屏蔽等，以隔離后級(jí)產(chǎn)生的高壓脈沖對(duì)前級(jí)儀器的干擾影響。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　由于使用環(huán)境的特殊性，因此要求燈絲電源裝置，不光要提供4路獨(dú)立可調(diào)、高穩(wěn)定度的直流輸出;還要讓其本身能抗住和隔離30 kV峰值電壓的沖擊。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，在高壓強(qiáng)流特殊的應(yīng)用環(huán)境下，燈絲電源具有穩(wěn)定性好，抗高壓反饋干擾，強(qiáng)電流沖擊能力強(qiáng)等特性，為處在高壓強(qiáng)流環(huán)境(尤其是單次高壓強(qiáng)流環(huán)境)中的儀器設(shè)備提供了一種可靠的抗高壓強(qiáng)流沖擊直流電源。