10MeV輻射加工用電子加速器閘流管觸發(fā)電路的設計

（北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司，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)電路設計復雜，導通典型值在150～250ns之間，導致氫閘流管（CX1549）的柵極觸發(fā)沿上升慢，閘流管導通的延時時間長抖動大。不僅影響氫閘流管的運行可靠性，而且縮短其使用壽命?，F(xiàn)今也有使用IGBT作為觸發(fā)電路的開關管。IGBT雖工作電壓等級較高，可達3000V以上，脈沖電流也可達3000A，但速度較慢。典型導通時間小于200ns。本文所采用的MOSFET管（APT50M38JLL）屬電壓型控制器件，導通時間在50ns以內，其漏源極電壓控制在500V以內，在電路設計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，典型值10～15V，僅需很小的觸發(fā)電流，100nA左右。相應觸發(fā)電路設計簡單，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通延時時間，且抖動小。有效的提高了該氫閘流管的運行可靠性和使用壽命。

1 氫閘流管的導通條件

本文所采用的氫閘流管CX1549工作時需要兩路觸發(fā)脈沖，一路預觸發(fā)脈沖G1，另外一路觸發(fā)脈沖加在G2上，為主觸發(fā)信號。之所以采用預觸發(fā)與主觸發(fā)脈沖的觸發(fā)方式，是為了在主觸發(fā)之前，使閘流管柵極預點火，在柵極和陰極間形成柵流。這樣能使閘流管以穩(wěn)定時間導通，減少高壓脈沖與觸發(fā)脈沖的時延在不同時刻的漂移。觸發(fā)脈沖G1加在氫閘流管的預點火極，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，實驗中取1200～2000V，脈沖上升沿要達到10kV/us的上升率。G2延遲G1的時間為0.5us，如圖1所示[1]。

圖1 1549閘流管示意圖

2 觸發(fā)電路的設計

2.1 觸發(fā)信號的產(chǎn)生

圖2 主(預)觸發(fā)信號產(chǎn)生信號

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

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

2.2 觸發(fā)脈沖電路

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

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

需要注意的是，變壓器T1兩側的接地端并非同一個接地點。不設同一接地點的目的，是用變壓器T1來隔離變壓器兩端的電路，保護變壓器T1初級側電路不受次級側電路高壓放電而導致器件被燒壞的情況出現(xiàn)。

3 實驗結果

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，實驗時首先給閘流管燈絲通電預熱10分鐘，然后將預觸發(fā)脈沖和主觸發(fā)脈沖加到G1和G2上，實驗結果如圖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1500V，幅值低的為預觸發(fā)脈沖電壓波形，前沿峰值可達900V。圖5所示為通過電流互感器測得的閘流管的觸發(fā)脈沖的電流波形，幅值高的為預觸發(fā)脈沖的電流波形，可達40A，幅值低的為主觸發(fā)的脈沖電流波形。由實驗結果觀察可得，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的開關頻率下實現(xiàn)25kV高壓的PFN對負載放電。觀察對負載的陽極電流，如圖6所示。

圖6 負載陽極電流

可知負載同樣處于正常且穩(wěn)定工作狀態(tài)。

4 結論

通過以上思路設計的電路并結合實驗所得的結果可知，采用MOSFET管，型號為APT50M38JLL，可實現(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為開關管的電路相比，本設計氫閘流管的觸發(fā)電路，減少了開關管觸發(fā)電路的功率放大的環(huán)節(jié)，電路設計更加簡單。并應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，通過觀察其實際運行結果，氫閘流管的工作狀態(tài)穩(wěn)定。