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用于電磁超聲測(cè)溫的脈沖激勵(lì)電源研制（自動(dòng)化）

         郭亞飛，  王  高，  魏艷龍，  梁海堅(jiān)，  石  佳，  周漢昌

              （小北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)率，太原030051）

摘要：針對(duì)電磁超聲測(cè)溫需求，利用串聯(lián)的功率MOSF'ET為開(kāi)關(guān)器件，設(shè)計(jì)一種同步驅(qū)動(dòng)MOSFF.T的新型高速高壓脈沖激勵(lì)電源。該電源通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列( FPGA)產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)專用驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET實(shí)現(xiàn)幅值0~ 1.5 kV、脈沖頻率10 Hz~1.5 kHz、脈沖寬度3～30及脈沖個(gè)數(shù)在1~100的內(nèi)高壓的精確控制  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，上升時(shí)間達(dá)到納秒級(jí)，基本能滿足電磁超聲應(yīng)用要求、

關(guān)鍵詞：脈沖電源；同步驅(qū)動(dòng)；MOSFET；光纖隔離；FPGA

中圖分類號(hào)：TM89    文章編號(hào)：1671 - 637X( 2016) 05 - 0099 - 05

0  引言

    在航空航天及國(guó)防建設(shè)中，各類先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)、高速飛行器、高速侵徹彈藥等武器裝備的設(shè)計(jì)優(yōu)化和火力性能評(píng)價(jià)，急需超高溫條件下溫度等參數(shù)的測(cè)試技術(shù)。電磁超聲檢測(cè)技術(shù)在航空航天、國(guó)防和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，該技術(shù)是一種無(wú)需耦合劑的檢測(cè)方法，它利用電磁感應(yīng)渦流原理激發(fā)超聲波，需要高壓窄脈沖施加在激勵(lì)線圈上，從而產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，激勵(lì)超聲波。作為電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的重要部分，電磁超聲脈沖電源決定了檢測(cè)的性能。

    作為多學(xué)科邊緣交叉技術(shù)的應(yīng)用，激勵(lì)電源主要涉及了自動(dòng)控制、電磁技術(shù)和電力電子器件等多學(xué)科。國(guó)外將開(kāi)關(guān)器件用于制作脈沖電源的技術(shù)已經(jīng)十分成熟；1998年，美國(guó)勞倫斯里弗莫爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的ARM-11用于感應(yīng)加速器，每個(gè)調(diào)制器由1300多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組

成，28層串聯(lián)的MOSFET，其輸出電壓可達(dá)15 kV，電流4.8～6 kA，脈寬200 ns到2可調(diào)，最高重復(fù)頻率2MHz;日本KEK的12GeV-PS感應(yīng)同步加速器，其功率源由一個(gè)全MOSFET開(kāi)關(guān)電路組成，4個(gè)橋臂中，每個(gè)都是由7個(gè)MOSFET串聯(lián)，輸出電壓幅度是2.5 kV，電流18A，上升時(shí)間和下降時(shí)問(wèn)均為30 。根據(jù)電磁超聲測(cè)溫的需求，本文設(shè)計(jì)了一種高速激勵(lì)電源，它采用功率MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件。高壓脈沖波形在一定范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)隨脈沖發(fā)生器的設(shè)置而改變，符合電磁超聲理論和實(shí)驗(yàn)研究的需求。

1  脈沖電源原理及實(shí)現(xiàn)方法

1.1脈沖電源原理

    作為直流電源，脈沖電源的工作原理是：首先通過(guò)儲(chǔ)能元件，使得一次能源擁有相當(dāng)?shù)哪芰�；其次，向巾間存儲(chǔ)器和脈沖整形系統(tǒng)放電；然后能量通過(guò)存貯、壓縮、變換等復(fù)雜過(guò)程之后，脈沖電源就形成了。

1.2直流斬波

    脈沖電源的實(shí)現(xiàn)方法可分為3種：1）利用儲(chǔ)能元件充電放電的形式獲得；2）通過(guò)逆變的方式從直流獲得；3）通過(guò)直流斬波方式獲得。相比來(lái)說(shuō)，方法1）是將開(kāi)關(guān)信號(hào)直接作用在直流環(huán)節(jié)，控制回路放電，該種方法沒(méi)有單獨(dú)的控制信號(hào)產(chǎn)生單元，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以得到高壓窄脈沖，但是其波形較難控制，各類參數(shù)較難調(diào)整；方法2）是將直流逆變成頻率脈沖，但是這種方法具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且脈沖的占空比、頻率、幅值不易調(diào)整；方法3）是把信號(hào)產(chǎn)生與直流環(huán)節(jié)分離，使得其具有控制方便、脈沖波形好、參數(shù)易調(diào)節(jié)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

    直流斬波法是利用電力電子器件的高速開(kāi)關(guān)的特性，通過(guò)調(diào)整器件的開(kāi)關(guān)頻率，或者調(diào)整直流電斷開(kāi)與接通時(shí)間的比值，得到預(yù)期的輸出參數(shù)。電力電子器件

2高壓脈沖電源系統(tǒng)

2.1高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)

    本文依據(jù)直流斬波法設(shè)計(jì)了脈沖激勵(lì)電源，其原理如圖1所示。

    首先通過(guò)變壓器把市電升壓，然后通過(guò)整流電路將升壓后的市電整流為高壓直流電，該高壓直流電再向儲(chǔ)能元件充電。由FPGA構(gòu)成的觸發(fā)器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光纖傳送到電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路，控制開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)通與關(guān)斷，將高壓直流電斬成高壓脈沖輸出給負(fù)載。

2.2主電路

脈沖激勵(lì)電源主電路如圖2所示。

    市電通過(guò)調(diào)壓器調(diào)壓后再經(jīng)變壓器升壓，通過(guò)整流橋后對(duì)電容器組進(jìn)行充電。充電完成后，開(kāi)關(guān)開(kāi)啟對(duì)負(fù)載放電。充電電容器組兩端并聯(lián)加入一個(gè)高壓真空繼電器K1，待電源使用完畢后，可以將電容中殘留的電量耗盡。將電阻與電容器組中的每個(gè)電容并聯(lián)，可以使得電容在充電過(guò)程中電壓均等。

2.3開(kāi)關(guān)器件選擇

    在該可控高速高壓脈沖電源中，脈沖電源的輸出質(zhì)量直接由開(kāi)關(guān)器件的選擇決定。其中常用的是絕緣柵雙極型晶體管( IGBT)和MOSFET，它們都屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件，具有驅(qū)動(dòng)功率小，安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)。而MOSFFT的顯著特點(diǎn)是其漏極電流由柵極電壓控制，所以其驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率��；并且MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率是目前頻率最高的電力電子器件。為使可控高速高壓脈沖電源的輸出波形的上升、下降沿控制在30 ns左右，本文采用功率MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件。

    本文的調(diào)制開(kāi)關(guān)是使用2個(gè)相同的功率MOSFET通過(guò)串聯(lián)的方式構(gòu)成。功率MOSFET，漏源擊穿電壓1000 V，穩(wěn)態(tài)電流18 A，脈沖電流60 A，2個(gè)功率MOS-FET串聯(lián)后擊穿電壓達(dá)到2000 V，該電源放電時(shí)，電容的脈沖電壓最大為1800 V，所以該調(diào)制開(kāi)關(guān)完全滿足要求。開(kāi)關(guān)器件在串聯(lián)使用時(shí)，需要解決均壓的問(wèn)題。2個(gè)功率MOSFET的等效輸出一致性通過(guò)并聯(lián)均壓電容解決。

2.4控制與驅(qū)動(dòng)電路

2.4.1  控制電路

    由于脈沖發(fā)生回路與控制電路的工作電壓相差比較大，前者的工作電壓在1.5 kV左右，而后者僅工作于10～20 V的低壓下。因此需要兩者進(jìn)行電氣隔離，否則會(huì)造成觸發(fā)裝置的損壞，開(kāi)關(guān)器件也將無(wú)法工作。光纖隔離技術(shù)因其光發(fā)射與接收器件的獨(dú)立性從而具有更高的電壓隔離能力和更遠(yuǎn)的傳輸距離，另外，考慮到本電源的應(yīng)用背景，光纖隔離可以使控制更為方便。因此，本文采用光纖隔離技術(shù)作為脈沖發(fā)生回路和控制電路的高低壓隔離手段。

    將光纖發(fā)送頭兩端分別接在三極管的發(fā)射極和集電極。當(dāng)三極管基極輸入高電平時(shí)，發(fā)射極和集電極導(dǎo)通，將光纖發(fā)送頭短路，即沒(méi)有光信號(hào)輸出，當(dāng)基極輸入低電平時(shí)，三極管截止，光纖發(fā)送頭導(dǎo)通，發(fā)出光信號(hào)，三級(jí)管的控制信號(hào)由脈沖發(fā)生器給出。

    系統(tǒng)中采用美國(guó)安捷倫公司的光纖發(fā)送頭，其上升與下降時(shí)間分別為1.30 ns和3.08 ns。并且發(fā)送頭和三極管并聯(lián)的形式與串聯(lián)的形式相比，可以極大地消除發(fā)送信號(hào)的毛刺。由于電路中存在分布電感，若發(fā)送頭與三極管串聯(lián)，在三極管開(kāi)通時(shí)會(huì)產(chǎn)生震蕩，使光纖發(fā)送頭誤導(dǎo)通，在關(guān)斷時(shí)會(huì)在開(kāi)關(guān)器件兩端產(chǎn)生相對(duì)的高壓。同樣由于分布電感的存在，并聯(lián)形式可以在三極管關(guān)斷時(shí)加快光纖發(fā)送頭的導(dǎo)通，而開(kāi)通時(shí)由于光纖發(fā)送頭被短路所以不會(huì)受到影響。當(dāng)光纖接收頭接收到光信號(hào)時(shí)就為功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供了控制輸入信號(hào)。

2.4.2  驅(qū)動(dòng)電路

    MOSFET驅(qū)動(dòng)電路采用UCC27321集成芯片。UCC27321能輸出9A的峰值電流，并且能夠快速地驅(qū)動(dòng)功率MOSFET，當(dāng)負(fù)載在10 n F時(shí)，UCC27321輸出脈沖的上升與下降時(shí)間僅為20 ns。

    本文開(kāi)關(guān)器件由2個(gè)功率MOSFET串聯(lián)構(gòu)成，當(dāng)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)時(shí)，2個(gè)器件的控制信號(hào)必須獨(dú)立給出，為實(shí)現(xiàn)波形要求，2個(gè)器件的控制信號(hào)還必須具有良好的同步性。光纖發(fā)送電路由2個(gè)光纖發(fā)送頭串聯(lián)一起，電流通過(guò)使其發(fā)光，極大地提高了其同步性。

    同時(shí)，由于采用了安捷倫公司的光纖發(fā)送頭，兩光纖發(fā)送頭一致性較好且不同步時(shí)間小于1 ns。

    同步驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。2個(gè)功率MOSFET不共地，驅(qū)動(dòng)芯片供電直流電源為懸浮地。

2.5脈沖發(fā)生器

    單個(gè)脈沖周期分為兩部分，高電平持續(xù)時(shí)間與低電平持續(xù)時(shí)間。通過(guò)采用2個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)控制占空比的方式改變周期，計(jì)數(shù)器采用可并行加載初始值的Ⅳ位減法計(jì)數(shù)器。當(dāng)設(shè)定的高電平時(shí)間給第1個(gè)計(jì)數(shù)器賦值后程序開(kāi)始，當(dāng)計(jì)數(shù)器到零時(shí)自動(dòng)停止并啟動(dòng)第2個(gè)計(jì)數(shù)器。第2個(gè)計(jì)數(shù)器當(dāng)中賦值為低電平時(shí)間，當(dāng)?shù)?/font>2個(gè)計(jì)數(shù)器到零時(shí)，自動(dòng)停止。此時(shí)，完成了一個(gè)完整的脈沖控制信號(hào)，即完成了一個(gè)完整的脈沖。其流程如圖4所示。