延时可控高压脉冲发生器的设计

摘要：将数字延时及高压脉冲形成电路结合在一起构成高精度的高压脉冲发生器，用于触发Marx发生器及高压脉冲触发装置，也适用于高压雷管起爆装置。以CPU8031为控制核心，采用VE4137A型高电压、大电流、低抖动、快速氢闸流管构成高压脉冲形成级，MOSFET作为驱动级。延时可控，延时范围为10ns至99μs，连续可调，数显；高压脉冲幅度为5～30kV，前沿小于16ns，脉宽大于300ns，抖动小于10ns。

关键词：高压脉冲；脉冲发生器；快速高压开关管；延时控制

Design of Controllable Delay High Voltage Pulse Generator

LIU Yun-tao, XIE Min, Gao Ping, etc 

Abstract:A high precision high voltage pulse generator is designed by combining a digital delay and a high voltage pulse generating circuit to trigger Marx generator and high voltage pulse triggering device.The generator can also be used for high voltage detonator initiating device.CPU 8031 is used as the central controller and VE4137A quick hydrogen thyratron with high voltage,large current and low jitter is used as the high voltage pulse generator,and MOSFET is used as the driver.The delay with digital display is controllable in the range of 10ns～ 99μ s.The high voltage pulse amplitude ranges in 5～ 30kV with a front of < 16ns,a pulse width of >300ns and a jitter of < 10ns. 

Keywords:High voltage pulse; Pulse generator; Quick high voltage switching tube; Delay control 

1  引言

    以往研制的高压脉冲发生器采用V型管作为高压脉冲形成级，该管为冷阴极结构形式，一般工作电压在10～15kV范围内，输出高压脉冲相对外触发的延时随直流供电电压的不同而有较大变化，抖动也较大，且长时间工作后，延时和抖动都要增大。

    用于触发Marx发生器及高电压脉冲触发装置需要更高的高压触发脉冲，且需在5～30kV范围内连续可调，具有前沿快、延时准确稳定、抖动小、抗干扰能力强等性能。

    设计高压脉冲形成级是本机的重点，关键是选择能满足本机各项技术指标要求的高电压、大电流、快速开关管。

    为了提高触发系统的延时精度，采用精度为10ns的数字延时单元，延时在10ns～99μs范围，步进10ns，以CPU8031为控制核心的集成电路实现人机对话，增强可靠性和先进性。

    直流高压供电采用DC／DC变换技术，封装在金属盒内，实现了电源小型化，增强了抗干扰能力。

2  发生器的构成及其工作原理

2.1  高压脉冲发生器结构

    延时可控高压脉冲发生器结构框图如图1所示，是由外触发控制电路、单片机控制电路、延时电路、驱动电路、直流高压电路及高压脉冲形成及输出电路等组成。

图1  高 压 脉 冲 发 生 器 组 成 框 图

    外触发控制电路是将外触发信号通过内部的比较器进行电压比较，再通过光电隔离器使外触发信号的地与控制线路的地分开，以屏蔽和减弱外界的电磁干扰及地干扰，增强本机的抗干扰能力。

    单片机控制电路、延时电路是通过单片机实现人机对话，来预置延时电路的延时时间，达到延时可控目的。

    驱动电路是将延时电路输出幅度较低的脉冲信号变为较高幅度的脉冲信号，用以驱动后级高压脉冲形成电路。

    直流高压电路采用DC／DC变换，低压24V经振荡电路产生频率较高交流信号，再经高频脉冲变压器升压及多级倍压输出5～30kV连续可调的直流高压，为高压脉冲形成电路供电。

    高压脉冲形成输出电路是本机重要部分，主要是形成和输出负高压脉冲。

2.2  工作原理

    由键盘键入所要求的延时时间，通过8031芯片内部程序控制延时器所要求的动作时间。当外触发信号输入时，外触发控制电路开始工作，输出一个脉冲信号触发延时电路，延时器开始计数，当达到所设定的时间时，延时器停止工作，同时输出一个脉冲信号，触发驱动电路，使驱动电路输出一个正脉冲信号，使开关管S导通，储能电容C经S向负载电阻放电（见图2），从而在与同轴电缆相匹配的负载上获得与直流高压幅度相同，极性相反的高电压脉冲。

图2  高 压 脉 冲 形 成 电 路

3  电路的设计

3.1  高压脉冲形成电路设计

    根据指标要求，在负载电阻75Ω上，输出最大幅度Vomax为30kV，前沿tr≤16ns，脉宽T1/2≥300ns的高压脉冲，则选择高压脉冲形成器件是本机设计的重点。该器件需具有耐压高、电流大、开关速度快、抖动小等特点。

    美国EG＆G公司生产的GP－12B管，工作电压、电流、前沿均可满足要求，但抖动较大。国产V型管，耐压达不到要求，且延迟、抖动较大。

    国产氢闸流管VE4137A阳极峰值电压33kV，峰值电流1.5kA，前沿≤10ns，抖动≤5ns，是较理想的高压脉冲形成器件。

    高压脉冲形成电路如图2所示。图中VH为高压脉冲形成电路的直流供电电源，5～30kV，极性为正、连续可调、组件式。

    脉宽主要取决于储能电容C的大小，按式（1）

         V1/2=Vo   (1)

式中：Vo为输出高压脉冲幅度；

      V1/2为Vo的50％，即，V1/2=Vo；

      T1/2为半高宽，即幅度为V1/2时波形的宽度，取T1/2=0.3×10－6s；

     R为负载电阻，75Ω；

     C为放电电容。

    将数据代入式（1）并整理得：

       C==5.8nF

    实取C=6.6nF用两只3300pF/35kV陶瓷电容并联。

3.2  单片机延时电路设计

    仪器的控制核心由CPU8031、大规模集成电路8155和EPROM2732组成。CPU8031是单片机的核心，它实现人机对话并完成对EPLD（可编程逻辑器件）的初始化和数据装入。8155用作键盘和显示器接口。EPROM2732用于存储延时同步单元的全部程序，开机后CPU从EPROM2732中读取指令进行程序控制。延迟时间的输入，显示以及EPLD器件初始化的完成在CPU8031的控制下进行。

    根据仪器指标，要求延时脉冲时间为10ns～99μs，延时精度为10ns，抖动小于10ns。为了解决通道之间的窜扰，时间精度及传送数据要求高等问题，在线路的设计中选用了Aterla公司的7000系列EPLD，将全部的逻辑电路做在一块器件中。通过单片机的控制对它进行初始化和数据装入。当触发信号到来时触发EPLD发出设定的延时信号，经过模拟放大输出以驱动后级电路。

3.3  触发电路的设计及对高压回窜干扰的抑制

    由于开关管S导通放电时，产生了高电压对触发电路的反窜干扰及空间电磁波的干扰，使触发电路很难正常工作。根据氢闸流管S导通时反窜到其触发控制极上的电压来设计氢闸流管触发电路，如图3所示。

图3  开 关 管 触 发 电 路

    氢闸流管触发电路由触发延时控制、脉冲变压器T、高频阻断硅堆D、π型滤波器（C2、L、C1）、开关管的偏置电阻R2及开关管S等组成。

    外触发信号触发光电隔离器，经触发延时控制电路后，输出约400V的脉冲信号，加到脉冲变压器T的初级，经脉冲变压器升压产生1kV以上的脉冲信号，脉宽大于2μs。经D、L触发S导通后，储能电容C经S向负载电阻R放电，输出负的高压脉冲。

    S导通瞬间，在其触发控制端产生约（2/3）Uc的高压脉冲，此信号包含多种频率成分，既有高频，又有中频和低频。高频干扰信号通过C1小电容旁路和经L大电感来衰减；中频和低频干扰信号则由高压硅堆反向阻断。这样通过旁路、衰减及阻断后到脉冲变压器T的次级约为百伏的干扰电压，再经T的降压也就只有几十伏的电压，从而解决了S开关导通反窜到控制电路的干扰。

4  性能指标测试

4.1  高压脉冲波形

    高压脉冲发生器输出高压脉冲波形如图4所示。

图 4  高 压 脉 冲 发 生 器 输 出 高 压 脉 冲 波 形

    高压脉冲输出经TekP6015A1/1000高压探头衰减，由TDS774A数字示波器测量，测试数据自动读出显示。由图4可知，高压脉冲波形光滑无振荡，下降沿15.7ns，脉宽约300ns。

4.2  主要技术指标

    表1列出了本机及以往研制的同类产品对应的主要技术性能指标，以对二者进行比较。

表1 高压脉冲发生器主要性能指标

    1）高压脉冲幅度提高1倍且调节范围宽，在5～30kV连续可调；

    2）对不同的高压脉冲相对外触发延时基本固定不变；

    3）增加可预置延时功能，延时10ns～99μs，具有较高的精度；

    4）抖动是高压脉冲发生器一个重要指标，本机的抖动很小，而以往研制的抖动很大。

5  结语

    本机输出高压脉冲调节范围宽，从5kV至30kV连续可调，可预置，前沿快、抖动小、延时准确，又增加了可预置延时，从而拓宽了应用范围，提高了测量精度。可控延时采用了先进技术，应用单片机，实现了人机对话，操作简便，增加了可靠性，且具有先进性。

    高压脉冲形成级采用高压大电流，快前沿、低抖动、长寿命快速氢闸流管，在设计上留有较大余量，确保运行可靠。

    采用光耦、变压器隔离、地隔离、多层金属屏蔽等措施，对抑制高压放电产生的电磁干扰以及地电流干扰有明显效果；对高压开关管导通瞬间在触发驱动级产生的多种频率成分的高压回窜强干扰，采用旁路、衰减、阻断等相应的有效方法，保证了触发电路的正常工作。

    该机已交付使用，所有技术指标均符合和满足设计规定的指标及使用要求，长期运行工作稳定可靠。