精密延时高压脉冲电源

刘云涛  谢  敏  高  平  张纪昌  马成刚  冯宗明  马  军

将数字延时及高压脉冲形成电路结合在一起构成高精度高压脉冲电源，用于触发Max发生器及高压脉冲触发装置，也适用于高压雷管起爆装置。以CPU 8031为控制核心，采用VE4137A型高电压、大电流、低抖动、快速氢闸流管构成高压脉冲形成级，MOSFET作为驱动级。延时可控，延时范围为10 ns~599 ms，连续可调，数显；高压脉冲幅度为5~30 kV，前沿小于16 ns，脉宽大于300 ns，抖动小于10 ns。

如图1所示，高精度高压脉冲电源结构由外触发控制电路、单片机控制电路、延时电路、驱动电路、直流高压电路及高压脉冲形成及输出电路等组成。


整个电源工作原理为：由键盘键入所要求的延时时间，通过单片机内部程序控制延时器所要求的动作时间。当外触发信号输入时，外触发控制电路开始工作，输出一个脉冲信号触发延时电路，延时器开始计数，当达到所设定的时间时，延时器停止工作，同时输出一个脉冲信号，触发驱动电路，驱动电路输出一个正脉冲信号，使开关管导通，储能电容经开关管向负载电阻放电，从而在与同轴电缆相匹配的负载上就获得与直流高压幅度相同极性相反的高电压脉冲。

以往研制的高压脉冲发生器采用V型管作为高压脉冲形成级，该管为冷阴极结构形式，一般工作电压在10~15 kV范围内，输出高压脉冲相对外触发的延时随直流供电电压的不同而有较大变化，晃动也较大，且长时间工作后，延时和晃动都要增大。

用于触发Marx发生器及高电压脉冲触发装置需要更高的高压触发脉冲，且需在5~30 kV范围内连续可调，具有前沿快、延时准确稳定、晃动小、抗干扰能力强等特点。

设计高压脉冲成形级是本机的重点，根据指标要求，在负载电阻75 Ω上，输出高压脉冲最大幅度Vo,max 为30 kV、前沿tr≤15 ns、脉宽T1/2≥300 ns，关键是选择能满足本机各项技术指标要求的高电压、大电流、快速开关管。

氢闸流管VE4137A阳极峰值电压为33 kV，峰值电流为1.5 kA，前沿≤10 ns，抖动≤5 ns，是本机较理想的高压脉冲成形器件。

为增加仪器抗干扰能力，在触发控制电路中采用电压比较、光耦隔离、变压器隔离、地隔离、多层金属屏蔽等措施，对消除抑制高压放电产生的电磁干扰以及地电流干扰有明显效果；对高压开关管瞬时导通在触发驱动级产生的高压回串，多种频率成分的强干扰，采用旁路、衰减、阻断等相应的有效方法，保证触发电路正常工作。

为了提高触发系统的延时精度，采用精度为10 ns的数字延时单元，延时在10 ~599 µs范围，步进10 ns。仪器的控制核心由CPU 8031、大规模集成电路8155和EPROM2732及PLD器件组成。在线路的设计中选用了Altera公司的7000系列PLD可编程逻辑器件，将全部的逻辑电路做在一块器件中。通过单片机的控制对它进行初始化和数据装入。当触发信号到来时触发PLD可编程逻辑器件发出设定的延时信号，经过模拟放大输出以驱动后级电路。

直流高压供电采用DC/DC变换技术，封装在金属盒内，实现电源小型化，增强抗干扰能力。低压24 V经振荡电路产生频率较高交流信号，经高频脉冲变压器升压及多级倍压输出5~30 kV连续可调的直流高压，为高压脉冲成形电路供电。