2.1脉冲实现方式

实现脉冲电源的方式有很多，但归结起来大致可分为三种。第一种是利用储能元件，如L，C的充放电实现脉冲输出；第二种是利用逆变将直流电变换为脉冲输出；第三种是利用直流斩波原理输出脉冲电压。比较而言，储能放电法结构简单，能获得高压窄脉冲，但脉冲波形不易控制，脉冲参数不易调节。逆变法是利用开关管将直流电转换成一定频率的脉冲，这种电路的结构较为复杂，由于采用了高频变压器使其体积、重量、效率均有所提高，但它的缺点也在于脉冲的幅值、频率、占空比不易调节。 2.2脉冲电源总体结构

图2．2系统整体结构框图

图2.2为系统整体结构框图。系统工作流程为：系统上电之后，用户通过键盘设定满足要求的系统输出脉宽和频率，其间全部设定操作过程均可在液晶页面上得以体现。当按下“ENTER’’键后，单片机立即产生高低电平控制SG3525工作时间，单片机引脚输出高电平时SG3525不工作，则无驱动脉冲，系统输出脉冲低电平；反之，系统输出脉冲高电平。通过输出信号采样及检测电路，系统输出的脉冲电压、电流、脉冲和频率都会显示到液晶屏幕上。系统运行过程中，可按下“MODIFY”键，进入修改页面进行输出参数的重新设定。

3．系统硬件电路的设计

.1主电路拓扑结构 3.1.1常用拓扑结构

开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型，非隔离型和隔离型[6]。

非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压型(Buck)电路、升压型(Boost)电路、升降压(Buck．Boost)型电路、Cuk型电路。降压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。升压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。

隔离型电路指输入侧与输出侧通过一个高频变压器隔离，可实现多路输出。常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥和全桥。正激型电路较简单，成本低，可靠性高，但变压器单向励磁，利用率低，适用于各种中小功率开关电源。反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，适用于小功率场合。全桥型电路中变压器双向励磁，容易达到较大功率，但电路结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。由于本电源输出功率不高，输出最大电流为10mA，最大电压为50KV，最大输出功率为500W，属中小功率，故可采用半桥式逆变电路作为主电路拓扑结构。 3.1.2半桥逆变式变换器工作原理

半桥逆变电路具有高频变压器利用率高，截止开关管极间承受的电压低，抗不平衡能力强等优点，其工作原理如图3．1所示[9-11]。当上管VFl的栅极驱动脉冲变为高电平时，vFl饱和导通，此时加在VF2漏极的高压电源+300V经C31到变压器T1的原边绕组，再经C33到地，形成C33的充电回路。

图3.1半桥式功率变换器简化电路

而电容器C32则经Tl、C31、VFl放电。使2个电容器中点电位VA在前半周期结束时升高了AVEl。当VFl变为截止、Ⅶ2尚未导通时，两管中点电压Vo又恢复到接近1／2的半电源电压值。当桥壁下管VF2的栅极驱动脉冲变为高电平时，VF2饱和导通，电源电流又由+300V经C32、T1、C31到地，形成c32充电回路。此时VFl截止，C33则经T1、C31、饱和导通的VF2放电。因此中点电压V▲在后半周期结束时又下降了△VE20如果电路参数对称，则AVEl=△VE2，中点电位V▲在开关过程中将以电源电压一半值E／2为中心，按±△VE幅度作指数规律的上升和下降变化。半桥逆变电路的工作波形如图3．2所示。其中a、b是两路驱动脉冲电压波形，它们的相位差为1800。在驱动电压的轮流开关作用下，半桥变换器的2只功率MOSFET交替导通和截止，在变压器T1的原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。

当开关管VFl(或Ⅶ2)导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C32(或C33)两端的电压。在电路中，由于开关管特性不一致，引起开关管VFl的导通时间比开关管VF2的长，则电容C32两端的平均电压就会比电容C33两端的低。故VFl导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比Ⅶ2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏·秒积分始终维持相等。因此，此电路的抗不平衡能力是比较强的。虽然半桥逆变电路自身具有抗不平衡能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C31。其作用是用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。

图3.2半桥式逆变电路工作原理波形

3.2高频开关电源主要功能模块 3.2.1全隔离单相交流调压模块

由于本脉冲电源系统适用于不同负载，因此要求输出脉冲电压的幅值需要在 10KV\连续可调，那么就需要设计电压调节电路。为了简化电路设计，本论文引入全隔离单相交流调压模块。该模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。根据输出可控硅器件不同分一只双向可控硅的普通型，两只单向可控硅反并联的增强型和一只单向可控硅的半波型等三类。按单相交流负载的额定电压分220V和380V两类，按控制信号的不同分E、F、G、H型等四类。

根据要求，本系统采用普通型DTY．220D40E型交流调压模块。图3．3为此模块220V交流电网控制电路图。

图3.3 220V交流电网自动控制电路图

①②为输出端，即模块内部可控硅的两极，增强型和普通型的①②端无极性，半波型模块内部单向可控硅的阳极接①端，阴极接②端。③④为模块内部同步变压器初级，分220Vac和380Vac两种规格：220Vac规格的模块允许使用在165\范围的电网上，380Vac规格的模块允许使用在285\的电网上，③④不分极性。COM为内部地端，CON为控制端，+5V端为内部产生，只供电位器手动控制用。①②③④的强电部分和+5V、CON、COM端的弱电部分为全隔离，其应用电路如下所示。图3．4为其输入输出关系曲线及波形图。

有关技术指标及应注意的问题为：

(1)通过①②加在负载上的电压相位和③④端的电压相位必须一致，否则失控。电网频率须为50Hz。

(2)CON对COM必须为正，如极性相反则输出端失控(全开或全闭)。当控制端CON从0\改变时，交流负载上的电压从0V到最大值可调(对阻性负载而言)。

其中CON在O～0．8V左右时为全关闭区域，可靠关断模块的输出；CON在0．8V-一4．6V左右为可调区域，即随着控制电压的增大，导通角a从180。到0。线性减小，交流负载上的电压从0V增大到最大值；CON在4．6V\左右时为全开通区域，交流负载上的电压为最大值。

图3.4控制电压与可控硅输出导通角关系曲线及波形图

(3)CON对COM的输入阻抗分E、F和H型均为大于等于30Kf2；G型为250fl。+5V电压信号只提供给手控电位器用，不作它用，所选用的电位器阻值在