10MeV輻射加工用電子加速器閘流管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

輻射加工用電子加速器氫閘流管的傳統(tǒng)觸發(fā)方法是使用單向可控硅（MCR100-8），屬于電流型控制器件，其典型觸發(fā)電流小于200uA，觸發(fā)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，導(dǎo)通典型值在150～250ns之間，導(dǎo)致氫閘流管（CX1549）的柵極觸發(fā)沿上升慢，閘流管導(dǎo)通的延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)抖動(dòng)大。不僅影響氫閘流管的運(yùn)行可靠性，而且縮短其使用壽命。現(xiàn)今也有使用IGBT作為觸發(fā)電路的開關(guān)管。IGBT雖工作電壓等級(jí)較高，可達(dá)3000V以上，脈沖電流也可達(dá)3000A，但速度較慢。典型導(dǎo)通時(shí)間小于200ns。本文所采用的MOSFET管（APT50M38JLL）屬電壓型控制器件，導(dǎo)通時(shí)間在50ns以內(nèi)，其漏源極電壓控制在500V以內(nèi)，在電路設(shè)計(jì)里采用脈沖升壓變壓器升壓，可將其電壓升到600～2000V之間，滿足CX1549型氫閘流管的要求。其柵極觸發(fā)電壓在30V以內(nèi)，典型值10～15V，僅需很小的觸發(fā)電流，100nA左右。相應(yīng)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，氫閘流管柵極觸發(fā)沿上升快。使得大大縮短了氫閘流管的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間，且抖動(dòng)小。有效的提高了該氫閘流管的運(yùn)行可靠性和使用壽命。

1 氫閘流管的導(dǎo)通條件

本文所采用的氫閘流管CX1549工作時(shí)需要兩路觸發(fā)脈沖，一路預(yù)觸發(fā)脈沖G1，另外一路觸發(fā)脈沖加在G2上，為主觸發(fā)信號(hào)。之所以采用預(yù)觸發(fā)與主觸發(fā)脈沖的觸發(fā)方式，是為了在主觸發(fā)之前，使閘流管柵極預(yù)點(diǎn)火，在柵極和陰極間形成柵流。這樣能使閘流管以穩(wěn)定時(shí)間導(dǎo)通，減少高壓脈沖與觸發(fā)脈沖的時(shí)延在不同時(shí)刻的漂移。觸發(fā)脈沖G1加在氫閘流管的預(yù)點(diǎn)火極，電壓要求為600～2000V，電流10～40A。G2主觸發(fā)脈沖要求電壓為1000～2000V，實(shí)驗(yàn)中取1200～2000V，脈沖上升沿要達(dá)到10kV/us的上升率。G2延遲G1的時(shí)間為0.5us，如圖1所示[1]。

圖1 1549閘流管示意圖

2 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

2.1 觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生

圖2 主(預(yù))觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生信號(hào)

原始觸發(fā)信號(hào)由NE555定時(shí)器芯片的典型多諧振蕩器電路產(chǎn)生，產(chǎn)生一個(gè)幅值為15V，脈寬為2us的觸發(fā)信號(hào)。該信號(hào)加在兩片MC14528芯片組成的脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路的輸入端，如圖2所示。

由一片MC14528的4腳檢測(cè)到輸入的觸發(fā)信號(hào)的上升沿，6腳輸出脈寬寬度由R25和C12的值調(diào)整。再由11腳檢測(cè)到6腳觸發(fā)脈沖的下降沿，由10腳輸出脈沖信號(hào)，再由R27、V5、V6、R28、R29、R30組成的達(dá)林頓管電流放大，輸出一個(gè)幅值為10V的預(yù)觸發(fā)信號(hào)。另外一片MC14528的4腳檢測(cè)到由上一片輸出的脈沖信號(hào)，由R35、C16、R37、C17值的計(jì)算調(diào)整使得輸出的主觸發(fā)信號(hào)幅值與預(yù)觸發(fā)信號(hào)幅值相同且延遲預(yù)觸發(fā)信號(hào)0.5us。

2.2 觸發(fā)脈沖電路

前述產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)輸出到大功率MOSFET管的柵極，以控制該MOSFET管的導(dǎo)通及關(guān)斷。如圖3所示。

MOSFET管的漏源極兩端加300V的直流電壓在MOSFET關(guān)斷期間給電容C1充電，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)C1通過MOSFET管給脈沖變壓器T1的初級(jí)線圈放電。放電時(shí)由于電感L1的存在，可以在MOSFET導(dǎo)通時(shí)有效防止300V電源瞬間對(duì)地短路，L1取1mH，1W，由于觸發(fā)脈沖比較窄，當(dāng)L1飽和導(dǎo)通時(shí)，MOSFET已經(jīng)關(guān)閉[2]。瞬變二極管TVS1可以保護(hù)MOSFET管的柵極由于過電壓而導(dǎo)致MOSFET管損壞的情況。R1提供了一個(gè)輔助回路，可分流過電流，同樣有效保護(hù)了MOSFET的柵極。TVS2如同TVS1保護(hù)柵極一樣，起到保護(hù)MOSFET的漏極防止MOSFET被擊穿。V2和R4組成的支路可以消耗掉T1初級(jí)電感的儲(chǔ)能。C2、R2、V1組成的支路可有效抑制電路寄生電感儲(chǔ)能產(chǎn)生的尖峰[3]，同樣起到保護(hù)MOSFET的作用。主觸發(fā)脈沖電路中的變壓器T1變比定位1:5，次級(jí)側(cè)電壓可達(dá)1500V。預(yù)觸發(fā)脈沖電路中變壓器變比為1:3，次級(jí)側(cè)電壓可達(dá)900V，電流達(dá)30～40A。所得觸發(fā)脈沖變壓器輸出指標(biāo)均滿足CX1549型氫閘流管的觸發(fā)導(dǎo)通條件。

需要注意的是，變壓器T1兩側(cè)的接地端并非同一個(gè)接地點(diǎn)。不設(shè)同一接地點(diǎn)的目的，是用變壓器T1來隔離變壓器兩端的電路，保護(hù)變壓器T1初級(jí)側(cè)電路不受次級(jí)側(cè)電路高壓放電而導(dǎo)致器件被燒壞的情況出現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

前述由觸發(fā)脈沖電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖滿足CX1549型閘流管G1和G2的觸發(fā)要求，實(shí)驗(yàn)時(shí)首先給閘流管燈絲通電預(yù)熱10分鐘，然后將預(yù)觸發(fā)脈沖和主觸發(fā)脈沖加到G1和G2上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示

圖3 觸發(fā)脈沖電路

圖4 觸發(fā)脈沖電壓波形

圖5 觸發(fā)脈沖電流波形

圖4所示為通過自制分壓電路板采集到的閘流管G1和G2的觸發(fā)脈沖電壓波形，幅值高的為主觸發(fā)脈沖，前沿峰值可達(dá)1500V，幅值低的為預(yù)觸發(fā)脈沖電壓波形，前沿峰值可達(dá)900V。圖5所示為通過電流互感器測(cè)得的閘流管的觸發(fā)脈沖的電流波形，幅值高的為預(yù)觸發(fā)脈沖的電流波形，可達(dá)40A，幅值低的為主觸發(fā)的脈沖電流波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察可得，上述閘流管觸發(fā)電路能良好使CX1549型氫閘流管工作。該氫閘流管觸發(fā)電路已應(yīng)用于電物理中心10MeV輻射加工用電子加速器系統(tǒng)中[4]，該系統(tǒng)要求氫閘流管可在最高550Hz的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)25kV高壓的PFN對(duì)負(fù)載放電。觀察對(duì)負(fù)載的陽(yáng)極電流，如圖6所示。

圖6 負(fù)載陽(yáng)極電流

可知負(fù)載同樣處于正常且穩(wěn)定工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過以上思路設(shè)計(jì)的電路并結(jié)合實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果可知，采用MOSFET管，型號(hào)為APT50M38JLL，可實(shí)現(xiàn)充電電容C1穩(wěn)定快速的向脈沖變壓器T1放電。和傳統(tǒng)的傳統(tǒng)單向可控硅及IGBT為開關(guān)管的電路相比，本設(shè)計(jì)氫閘流管的觸發(fā)電路，減少了開關(guān)管觸發(fā)電路的功率放大的環(huán)節(jié)，電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。并應(yīng)用于北自所電物理中心的10MeV輻射加工用電子加速器系統(tǒng)中，通過觀察其實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，氫閘流管的工作狀態(tài)穩(wěn)定。