用于中子管的数控高压脉冲电源的研制

发布时间：2020-07-06 08:12

【摘要】：中子管是一种电可控的中子源,与其他中子源相比较,它成本低,重量轻,操作维护简单,防护容易,适于现场流动式检测。中子管可以运行在直流、快脉冲、快-慢脉冲状态。通过中子管离子源数控高压脉冲电源可以控制脉冲发射的频率、宽度和中子产额,以满足实际应用需求。中子管离子源高压直流电源采用反激拓扑与Cockroft-Walton倍压整流电路级联结构进行设计。为实现离子源电源输出电压稳定以及可调,利用ICM7555芯片产生开关管驱动信号和高频运放HA17358设计TYPEI型电压反馈网络,实现0~2.5V外部输入电压对应0~2000V电源输出电压。设计MOSFET栅源两端电容参数,降低MOSFET漏源两端开通和关断电压尖峰,解决2kV直流电源从零起调阶段变压器发出异响的问题。采用PC40材质EI33型号磁芯绕制反激式高频高压变压器,其初级输入电压为24V,次级最高输出电压600V,工作频率40kHz。采用2阶4倍压整流结构实现2kV直流电压输出,为进一步减小电源纹波,对2kV直流电压进行一阶RC低通滤波,降低电源输出电压的交流成分,提高中子产额稳定性。同时设计负载电流检测电路与基准电压源电路,实现电源的过流保护。为实现中子管工作在脉冲模式,采用多管串联IGBT推挽结构对2kV直流电压进行斩波。与传统上下桥臂单管斩波方案相比,多管串联结构降低了单管IGBT的电压应力和成本。利用MAX4428芯片将一路PWM转换成两路不带死区时间的互补PWM,设计RCD硬件延迟电路改变互补PWM下降沿时间,经过74HC14反相施密特触发器高低阈值比较后,可输出3路死区时间可调的互补PWM波,避免上下桥臂开关管直通。应用高速数字电路使得上下三路PWM驱动信号上升沿延迟时间在100ns以内,减小上下桥臂串联IGBT开通和关断的延迟时间差,降低IGBT漏源两端承受过电压的时间,提高电路运行的可靠性。由于IGBT导通和关断的特性不同,上下桥臂IGBT漏极和源极之间的电压在串联工作时分配不均衡,设计由阻容和瞬态抑制二极管组成的静态和动态均压网络,解决IGBT静态和动态开关过程中耐压不足的问题,并给出电压均衡网络参数的选择和计算方法。通过Saber开关电源软件仿真,分析引线分布电感参数对脉冲尖峰电压的影响以及均压网络电容参数和阻尼电阻对脉冲尖峰电压的抑制作用,并通过实际电路测试,验证原理分析的正确性。在满足2kV脉冲电压上升沿时间小于2μs的情况下,通过设计上桥臂阻尼电阻参数和负载端脉冲尖峰电压阻容吸收网络,将2kV脉冲尖峰电压过冲百分比从33.1%降低到14%以下。使用STM32F103ZET6芯片和轨至轨运放TLV2374设计核心控制板和驱动板电路完成高压直流电源的电压电流采集和调节。为提高离子源直流电源调节精度,设计二阶无源低通滤波器完成PWM波到直流信号的转换,用来调节离子源直流电源电压输出。利用LABVIEW开发平台设计上位机界面,完成对直流电源电压电流参数的监控功能以及对脉冲电源触发信号频率、脉宽的调节功能。为确保通信的可靠性,在上位机中加入自定义通信协议,利用LABVIEW字符串匹配控件设计通信协议数据头诊断程序,防止通信数据包解析错误。本文开发的中子管数控高压脉冲电源测试结果如下:在直流工作模式下,直流电源输出电压可在0~2000V范围内连续可调,最大输出功率为40W,输出电压稳定性小于等于0.2%,整体纹波电压比小于0.01%,效率最高可达78.96%;控制板电压和电流采集精度分别为1V和5μA;在脉冲模式下,脉冲电源工作频率可在0~20kHz范围内连续调节,最小脉宽为10μs,2kV脉冲电压上升沿时间和下降沿时间小于2μs,脉冲尖峰电压过冲百分比为13.1%,满足脉冲中子发生器进行元素分析的需求,性能良好。该设备目前运用于中国原子能科学研究院防水型脉冲中子发生器项目中,运行良好,满足项目总体要求。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN86;O571.53
【图文】：

中子管,内部结构

第一章引言管结构原理中子发生器是一种人工可控的中子源，其核心是中子管，中子核反应产生，这个核反应是通过被加速的氘氚离子去轰击靶实管本质上是一种便携式的加速器，它将离子源、离子加速系统统密封在一支真空陶瓷管内，具有简单紧凑的结构，是一种使件[2]。中子管内部结构如图 1.1 所示。

开关电源,实物,脉冲功率电源,串并联

图 1.3 开关电源实物6 年，美国 DTI 公司基于 IGBT 串并联技术开发出用于粒统、脉冲雷达发射的脉冲功率源。其采用的 IGBT 上经过串并联高压调制后实现脉冲上升沿大约 1μs、后期经间为 25~100ns、最大电压 10kV、最大电流 200A、重该脉冲功率电源单层实物板如图 1.4 所示。图 1.4 脉冲功率电源单层实物板

脉冲功率电源,实物,单层

3图 1.4 脉冲功率电源单层实物板状冲电源也在很多方面得到了大量的应用。中国科科学院高能物理研究所、中国科学院电子工程研等单位在脉冲功率技术领域的科研水平处于领工程物理研究院完成了“闪光 I 号”装置的建设；术所相继完成了“闪光 II 号”装置的建设；2000向泵浦准分子激光的激光系统“天光 II-A”；华中

【参考文献】