二次升压的重复频率脉冲电源

谢  敏  丁伯南  周传明  冯宗明  刘云涛  马成刚  马  军  邓维军

介绍一种采用脉冲变压器二次升压工作方式实现高电压脉冲输出的设计电路，电路的主要特点是可以对电容负载实现快速充电，通常其充电时间可控制在几百纳秒内。由于在电路中的开关器件为氢闸流管和磁压缩装置，因此系统具有千赫兹的连续重复频率工作能力。目前，以这种方式工作的重复频率脉冲电源系统，脉冲调制过程的能量传输效率大于70%，输出脉冲电压大于600 kV，连续重复频率大于100 Hz。

脉冲变压器二次升压的线路设计如图1所示，整个线路的工作原理是：高压直流电源(U0)首先对一个储能电容器库(C0)充电到预定电压值，然后利用一只氢闸流管(SW1)，以L-C谐振充电方式将一次脉冲所需的能量，由C0转移到第一级中间储能电容器(C1)中，由于高压硅堆(D0)的作用，使C1上的电压能够得以保持；再利用另一只氢闸流管(SW2)再以脉冲变压器谐振充电方式，将C1中的能量，经脉冲变压器(TX1)升压后，转移到二级中间储能电容器(C2)中；当C2上充电电压接近峰值时，后接的磁开关(MS1)会饱和，又一次以脉冲变压器谐振充电方式，将C2中的能量，经脉冲变压器(TX2)升压后，转移到负载电容器(C3)中。


这个线路实际包含了3次谐振充电过程，设计对C1充电的L-C谐振充电回路时主要是选择一个合适的振荡频率，一是保证充电电流能够使两级脉冲变压器和磁开关磁芯复位；二是保证充电过程不会将氢闸流管(SW2)压穿，导致系统误动作。设计对C2充电的脉冲变压器谐振充电回路时，主要考虑脉冲变压器初级放电电流不能大于氢闸流管所允许通过的最大电流值。对C3充电的脉冲变压器谐振充电回路中需要考虑磁开关的因素。首先，对C2充电的充电频率决定了磁开关的伏秒数，而磁开关在对C2充电时其等效阻抗要尽量大，这样能有效阻止脉冲能量向后泄放；但在对C3充电时其等效阻抗又要尽量小，以保证对C3充电的充电频率足够快，能量传输效率尽可能大。