本文針對離子注入工藝的特定要求，采用buck 拓撲結(jié)構(gòu)，以IGBT 為斬波器件，并結(jié)合單片機與CPLD 技術(shù)，研制了一種低頻長脈寬的高壓脈沖數(shù)字電源。通過離子注入試驗并結(jié)合工藝研究驗證了該電源的實用性和穩(wěn)定性。

　　傳統(tǒng)的高壓脈沖電源多采用高壓電子管作為斬波器件，其穩(wěn)定工作狀態(tài)在6 kV 以上，而電子管也存在體積大、功耗大、發(fā)熱嚴重、壽命短、電源利用效率低、結(jié)構(gòu)脆弱 等缺陷，所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)它的絕大部分用途已經(jīng)被固體器件晶體管所取代。綜上考慮，本文以IGBT 為斬波器件設(shè)計了一套10 kV 以下的高壓脈沖電源，彌補了該領(lǐng)域的空白。

1、電源指標要求

　　輸入電壓為單相交流220 V；輸出脈沖峰值電壓范圍為1 kV~10 kV；輸出最大峰值電流為4 A；脈沖頻率為1 Hz~20 Hz；脈沖寬度為1.5 ms；脈沖上升時間小于5 us。

2、電源設(shè)計原理介紹

　　該脈沖電源工作于低頻長脈寬高壓狀態(tài)，它的基本工作原理是：首先經(jīng)過慢儲能，使初級有足夠的能量，然后向中間儲能和脈沖成型系統(tǒng)放電，能量經(jīng)過儲存、壓縮、形成脈沖或轉(zhuǎn)化等復(fù)雜過程之后，獲得高壓脈沖。

3、電源方案設(shè)計

　　3.1、電源主回路設(shè)計

　　該電源采用的主回路原理圖如圖1 所示，由工頻整流、電壓調(diào)制、頻率脈寬調(diào)制和升壓四部分組成。其電能形式變化依次分為為：220 V 單相交流源、310 V 恒壓直流源、30 V~280 V 可調(diào)直流電壓源、280 V 以下可調(diào)脈沖源、10 kV/4 A/1.5 ms 脈沖五個環(huán)節(jié)。

圖1 脈沖電源主回路原理圖

　　在電壓調(diào)制回路中采用的是buck 降壓斬波電路，而頻率脈寬調(diào)制回路中采用硬斬波方式，二者均以IGBT 作為斬波器件。變壓器的連接采用的是三臺變壓器原邊并聯(lián)副邊串聯(lián)的方式，這樣有效的減小了單臺變壓器的變比，防止因變比過大而導(dǎo)致產(chǎn)生較大寄生參數(shù)等問題，同時實驗也證明，這種方式有效的縮短了脈沖上升時間。

　　3.2、電源控制系統(tǒng)原理

　　圖2 示出該電源的控制系統(tǒng)組成。前級斬波(即IGBT1 斬波) 采用SG3525 芯片實現(xiàn)模擬信號控制；后級斬波(IGBT2 斬波)采用MCU 和CPLD配合控制，采用的芯片分別為C8051F020 和EPM1270T144C5，以數(shù)字信號控制為主。

圖2 控制系統(tǒng)組成方框圖

　　圖中TLC1543 為ADC 芯片，TLC5615 為DAC芯片，二者配合使用共同完成模擬電路與數(shù)字電路之間的信號轉(zhuǎn)換。由于所選用的低成本單片機芯片在數(shù)據(jù)采集、響應(yīng)速度等方面具有較大的時間延遲，不能滿足過流保護的速率要求，系統(tǒng)中的電流反饋則通過比較器LM339 轉(zhuǎn)換成同相的方波送入CD4098 或者CPLD，CD4098 在上升沿觸發(fā)條件下輸出具有一定寬度的脈沖信號送入SG3525實現(xiàn)輸出脈沖的內(nèi)部關(guān)斷，而CPLD 則在上升沿觸發(fā)下由內(nèi)部邏輯元電路判斷過流進而完成信號終止輸出，這兩種方式均有效地縮短保護動作時間，增加電源工作狀態(tài)的可靠性、穩(wěn)定性。

　　3.3、整流回路的開通時序

　　圖1 所示的工頻整流環(huán)節(jié)中，主回路導(dǎo)通采用可控硅SCR1 與SCR2 配合控制。圖示電容C1與C2 選值較大，若SCR1 與SCR2 同時導(dǎo)通，交流220V 電源直接給C1、C2 充電，會導(dǎo)致該回路產(chǎn)生過大的充電電流。該過電流會直接導(dǎo)致空氣開關(guān)連續(xù)跳閘以及可控硅、整流橋等器件損壞。

　　SCR1 與SCR2 采用非同步導(dǎo)通。SCR1 在T1時刻導(dǎo)通后，交流電壓通過R1 為C1 和C2 充電，而SCR2 需在C1、C2 充電完成后導(dǎo)通，即SCR2 導(dǎo)通時刻T2 需滿足：T2≥T1+R1×(C1+C2)。導(dǎo)通時序的配合控制如圖2 所示，由MCU 和TLC5615共同完成。

5、結(jié)論

　　采用buck 拓撲電路設(shè)計脈沖電源的電壓調(diào)試回路具有結(jié)構(gòu)簡單、理論成熟、便于調(diào)試等優(yōu)點。單片機配合SG3525 的控制方式有效的降低了輸出脈沖在脈寬、頻率、壓差等方面的誤差，增加了輸出精度。脈沖變壓器的設(shè)計與連接方式有效降低了寄生參數(shù)的影響，使輸出波形更趨近于注入要求。該電源自投入上海某研究所實驗室應(yīng)用之后，各狀態(tài)工作正常，未出現(xiàn)任何故障。這表明該電源具備較高的穩(wěn)定性、可靠性及實用性。