【導(dǎo)讀】本文著重討論如何解決當桌大功率裝置的大電流開關(guān)動作時，燈絲電源裝置抗30 kV的高壓反饋脈沖的沖擊問題。
通過抗高壓和強電流沖擊的設(shè)計，以低壓電源為大電流開關(guān)的燈絲提供高穩(wěn)定度的電源輸出;以高壓隔離變壓器來隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖通過電源對周圍儀器的影響;用扼流圈來阻遏反饋高壓峰電流的流入，有效地減少了大功率裝置放電后的瞬時強電流對燈絲加熱電源的損害;在高壓強流環(huán)境中，為大電流開關(guān)燈絲的加熱提供了可靠的抗高壓強流的直流加熱電源。
為了確保燈絲加熱電源能夠正常的工作，燈絲加熱電源本身必須具有抗高壓、強電流沖擊等功能。這就要求燈絲加熱電源，不僅要為大功率裝置大電流開關(guān)的燈絲加熱提供4路高穩(wěn)定度的電源輸出，還必須具有抗大電流開關(guān)的反饋脈沖高壓及強電流的沖擊，并隔離與市電(220 V)的相互干擾等特性。
燈絲電源裝置的設(shè)計思想
抗高壓高精度燈絲電源應(yīng)具有以下特點：
(1)因為燈絲電壓的高低直接影響到大電流開關(guān)的觸發(fā)質(zhì)量，如：燈絲電壓太低，陰極發(fā)射能力不足，增益會降低;燈絲電壓太高，陰極活性物過分蒸發(fā)，會導(dǎo)致大電流開關(guān)壽命縮短。因此要求燈絲電源必須提供高穩(wěn)定度的電壓輸出。
(2)大電流開關(guān)的燈絲具有冷態(tài)電阻小，熱態(tài)電阻大的特點，燈絲電源在開機的瞬間易受浪涌電流(十幾安培)的沖擊，會影響其壽命。因此燈絲電源要具有抗大電流沖擊的能力。
(3)大電流開關(guān)觸發(fā)后，會反饋回一個幅度近30 kV脈沖電壓和100 kA脈沖電流的高壓脈沖，會直接損壞電源本身及影響周圍其他儀器。因此燈絲電源還要具有抗高壓反饋脈沖沖擊的能力。
為滿足以上要求，抗高壓高精度燈絲電源采用圖1的方法加以研究。
圖1：燈絲電源原理圖
隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖干擾技術(shù)
高壓隔離變壓器的設(shè)計是利用高壓隔離變壓器初次極間的電容所形成的交流阻抗并且斷開地環(huán)路來隔離高壓脈沖的沖擊。同時在高壓隔離變壓器的輸入端也接入高壓旁路電容，這樣就可以隔離高壓觸發(fā)反饋脈沖通過電源對后面測試儀器的影響。
將電源和儀器之間加入高壓隔離變壓器，可以起到阻斷耦合路徑的作用。接入高壓隔離變壓器后可以斷開地環(huán)路，如圖2所示。而且這種連接對正常傳輸電流的阻抗是很低的，但對縱向的噪聲電流來說，它卻有著很高的阻抗，即50 Hz的基波成分幾乎可以暢通無阻地通過，而高頻成分卻被削弱，所以在燈絲電源裝置中，高壓隔離變壓器是必不可少的。
圖2：高壓隔離變壓器
接入高壓隔離變壓器把設(shè)備電源與進線電源隔離開來，把噪聲于擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。隔離變壓器屬于感性負載，能抑制電流的突變，能有效地減少浪涌電流，減小電壓高低的突變性及電源波動等，抑制從電源線引入的高壓脈沖對電源產(chǎn)生干擾;能從根本上防止由于地電位擾動所引起的電源工作失常。
抗大電流沖擊、高穩(wěn)定度電源的技術(shù)
大電流開關(guān)的燈絲具有冷態(tài)電阻小，熱態(tài)電阻通電后逐漸增大的特點，因此在開機時直流電源易受浪涌電流(十幾安培)的沖擊，會影響到燈絲加熱電源的壽命和可靠性。同時[member]
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為保證大電流開關(guān)的可靠性，穩(wěn)定觸發(fā)及其壽命，要求燈絲加熱電源提供高穩(wěn)定度的電壓輸出。
為此，低壓電源部分采用緩起動和集成穩(wěn)壓技術(shù)來實現(xiàn)。以集成穩(wěn)壓技術(shù)實現(xiàn)為大電流開關(guān)的燈絲提供高穩(wěn)定度的電源輸出;以緩啟動技術(shù)實現(xiàn)阻遏開機瞬間浪涌電流(大于10A)對低壓電源的沖擊。
為了減小浪涌電流的沖擊，避免低壓開關(guān)電源提前損壞，在低壓開關(guān)電源電路的設(shè)計上采取措施，即將低壓開關(guān)電源電路與緩起動電路設(shè)計相接合。使燈絲電壓緩慢增加至額定值，使電流亦緩慢增加，從而避免了浪涌電流的沖擊。緩起動電路采取從零開始平滑提升的辦法，利用其輸出電壓相應(yīng)改變的原理，達到了輸出電壓從零平滑升高的目的。
圖3：改進前后電流曲線
圖4：緩啟動控制原理圖
它的基本電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。緩起動電路的作用是對VAdj進行控制，使輸出電壓逐步形成一個上升的曲線，上升時間的長短可以借助R3C3參數(shù)的調(diào)整，在較大的范圍內(nèi)改變，剛開機時PNP晶體管導(dǎo)通，Adj的電位被Vces箝位得很低，使輸出電壓不能瞬間建立，隨著電容C3的充電，PNP晶體管最終達到截止，這時輸出電壓Vo=VAdj+Vces。達到了緩起動的目的，起到了對燈絲電源的穩(wěn)流控制。
大功率扼流圈
由于低壓開關(guān)電源的輸出工作電流達到了1.6 A，因此要求扼流圈自身的直流阻抗很小，使其自身的直流壓降很小;同時為了增加脈沖高壓在它上面的壓降，又要求它的交流阻抗要很大。為了得到較高的交流阻抗，在選擇扼流圈磁芯時，要優(yōu)選導(dǎo)磁率高的磁芯。
工作頻率遠高于截止頻率時，電阻增量遠大于電抗增量，阻抗增量接近電阻增量，此時扼流圈接近于一個電阻器，它不僅能抑制而且能吸收反饋脈沖的能量。
按圖5所示電路連接，L為用2 m長的φ1 mm的高強度漆包線，分別在μ0=2 kH/m和μ0=7 kH/m的磁芯(φ50 mm×30 mm×20 mm)上繞制的扼流圈(自制)。當輸入電壓為5 V的正弦波信號時，通過測量輸出的電壓值，就可以得到L上交流阻抗的壓降大小。因為主脈沖的脈寬為10μs，頻率應(yīng)選用100 kHz，但僅有的SG503信號源沒有100 kHz檔，所以只能利用信號源現(xiàn)有的50 kHz和220 kHz檔來做實驗。實驗數(shù)據(jù)見表1。
表1：實驗數(shù)據(jù)
圖5：感抗測量實驗電路
若交流阻抗高，L上的壓降就大，輸出的電壓值Vo就低。通過實驗數(shù)據(jù)比較可以看出，在試驗的頻段內(nèi)μ0=7 kH/m的磁芯的交流阻抗，優(yōu)于μ0=2 kH/m的磁芯的交流阻抗。
抗干擾技術(shù)
(1)低壓開關(guān)電路的輸出直流電流達1.6 A，因此要求高壓脈沖扼流圈的直流電阻要很小，以使其直流壓降很小;為了增加反饋高壓脈沖在它上面的壓降，又要求它的交流阻抗很[page]
大。為了得到較高的交流阻抗，在扼流圈磁芯的選材上，要選磁導(dǎo)率高的磁芯。
(2)在低壓開關(guān)電路與氫閘管燈絲之間串入電感量為10 mH的并行雙扼流圈，使100 kHz的頻率信號能形成約6.3 kΩ的阻抗。因而高壓觸發(fā)反饋脈沖就有約3/4的峰值壓降在了高壓脈沖扼流圈上。
(3)在低壓開關(guān)電路的輸入/輸出線間，以及輸入/輸出與地之間，大量使用了高壓旁路電容，組成了抗高壓組件，遏制和泄放高壓反饋脈沖的沖擊，以防止在低壓開關(guān)電路上形成過高的峰值電壓，損壞低壓開關(guān)電源的器件。同時接地也采用“浮地”的方法來抑制環(huán)境的干擾。
(4)高壓隔離變壓器在繞制時將初級和次級分開繞制，并加屏蔽來減少其分布電容，以提高抗干擾能力。在220 V交流電源通過隔離變壓器后又加裝了濾波電路。這種濾波器對濾掉干擾頻率有一定效果。因為L對較高頻率有一定的阻抗，從電容C來說，對高頻阻抗小，因此可以為干擾頻率提供回路，這對濾除干擾有效。
大電流開關(guān)在動作時，高壓隔離變壓器等效為大電容C;由于高壓電容的旁路作用，此時的低壓開關(guān)電源模塊交流阻抗趨于零;高壓脈沖扼流圈等效為電感L。總之，要使整個回路的交流阻抗盡可能大，使流入的高壓峰值電流趨于零。整個回路可以等效為Γ型濾波電路，見圖6。
圖6：交流等效電路
實驗驗證
采用本文的抗干擾技術(shù)進行了實驗。其結(jié)果：
(1)并行雙扼流圈：測量得到扼流圈兩端的高壓分別是16 kV和6 kV，因而高壓觸發(fā)反饋脈沖就有約10 kV的峰值電壓降在了高壓脈沖扼流圈上。
(2)旁路電路：測量得到低壓電源上的高壓已經(jīng)泄放到幾百伏，通過對低壓電源器件耐壓參數(shù)的冗余設(shè)計，保證了燈絲電壓在高壓強流特殊的應(yīng)用環(huán)境下正常工作，滿足了可靠性設(shè)計和使用要求。
為了提高電源的可靠性，還采取了關(guān)鍵器件篩選老化、防高壓打火、電磁屏蔽、高頻高壓隔離和系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計等技術(shù)，以保證該電源的穩(wěn)定性和可靠性。同時在整機設(shè)計上，采用合理的電路及工藝，特別是接地、電磁屏蔽等，以隔離后級產(chǎn)生的高壓脈沖對前級儀器的干擾影響。
結(jié)語
由于使用環(huán)境的特殊性，因此要求燈絲電源裝置，不光要提供4路獨立可調(diào)、高穩(wěn)定度的直流輸出;還要讓其本身能抗住和隔離30 kV峰值電壓的沖擊。經(jīng)實際應(yīng)用證明，在高壓強流特殊的應(yīng)用環(huán)境下，燈絲電源具有穩(wěn)定性好，抗高壓反饋干擾，強電流沖擊能力強等特性，為處在高壓強流環(huán)境(尤其是單次高壓強流環(huán)境)中的儀器設(shè)備提供了一種可靠的抗高壓強流沖擊直流電源。
