一种基于磁饱和变压器的DSRD脉冲电源设计

发布时间：2021-03-29 18:09

　　漂移阶跃恢复二极管（DSRD）具有开关速度快、重频高、工作电流大等优点,在脉冲功率技术中很有应用前景。研究了一种基于磁饱和变压器的DSRD泵浦电路拓扑结构,具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。根据DSRD的工作要求,采用功率MOSFET作为初级开关,结合磁饱和变压器的升压和磁开关特性,设计了DSRD的泵浦电路。利用Pspice软件对电路进行了仿真分析,验证了电路原理的正确性。在仿真分析的基础上,完成了一台原理样机的设计和电路实验。实验结果表明,该电源样机在前级充电电压800 V条件下,50Ω负载上产生的脉冲幅值大于7 kV,前沿小于4.2 ns（10%～90%）,半高宽约10 ns。 

【文章来源】：强激光与粒子束. 2020,32(02)北大核心CSCD

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【部分图文】：

脉冲电源电路原理图

利用电路仿真软件Pspice，可以根据不同的电路参数进行仿真计算，验证电路原理的正确性。脉冲电源的Pspice模型如图2(a)所示，耦合电感的磁芯可根据材料的特性进行调整，匝数比为1∶4，设置了电感L1作为饱和电感（同时也作为谐振电感的一部分），开关S4模拟DSRD的开关特性，仿真结果见图2(b),(c)。通过仿真分析，验证了该电路前级的开关和磁芯变压器能够产生DSRD工作所需的电流波形。在充电电压700 V时，次级电容电压最大约1 600 V，小于变压器变比，原因主要是变压器励磁电感较小，在正向泵浦电流末期，变压器磁芯已经接近饱和。该电路的正向泵浦时间约120 ns，电流峰值约45 A，此时变压器初级电流为180 A；反向泵浦电流峰值约160 A。脉冲幅值和底宽受电感L1和变压器电感影响，输出电压约7 kV，底宽约15 ns。根据电路计算和仿真结果可知，要在前级充电电压一定时得到最大幅值的脉冲，即在次级电容上得到最大的储能，变压器应在次级电流换向点附近饱和。为在50Ω负载上得到幅值大于18 kV的脉冲，初级开关S1的功率需大于1 500 V/400 A。脉冲后沿按照饱和电感和负载组成的RL电路进行放电，因此需准确控制饱和电感的数值。

考虑到工作电压和电流的要求，初级开关S1选择Cree公司的C2M0045170D型SiC MOSFET，该器件的漏源击穿电压VDSmax=1 700 V，导通及关断时间tr,tf均小于20 ns，漏极连续电流ID=72 A，脉冲电流IDpulse=160 A，可通过并联使用，满足功率需求。变压器磁芯选择镍锌铁氧体磁环，磁环尺寸约47 mm×27 mm×28 mm，变压器匝数比为1∶4，副边采用多绕组并联以降低漏感及饱和电感。初级储能电容采用薄膜电容，容值33 nF，耐压3 000 V，次级电容使用高压陶瓷电容，容值1.8 nF，耐压30 kV。输出电压脉冲利用50Ω的同轴线RG214，经过衰减器连接到示波器进行测量。该实验电路的时序控制电路，使用Altera公司的MAX II型CPLD芯片编程实现。时钟单元产生的时钟信号，经隔离芯片控制IXYS公司的IXDN614芯片，实现对MOSFET的驱动。

【参考文献】：
期刊论文
[1]HEPS在轴注入冲击器系统及快脉冲电源样机研制[J]. 陈锦晖,王磊,施华,霍丽华,王冠文,刘鹏,史晓蕾.  强激光与粒子束. 2019(04)
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[3]新型半导体开关高压电磁脉冲产生技术[J]. 梁勤金,邓晓磊,石小燕,潘文武.  强激光与粒子束. 2012(02)
[4]基于漂移阶跃恢复二极管的超宽带探地雷达发射技术[J]. 张玲,周斌,谢义方,方广有.  强激光与粒子束. 2009(12)



本文编号：3107956