用于電磁超聲測溫的脈沖激勵電源研制（自動化）

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

              （小北大學電子測試技術國防科技重點實驗率，太原030051）

摘要：針對電磁超聲測溫需求，利用串聯的功率MOSF'ET為開關器件，設計一種同步驅動MOSFF.T的新型高速高壓脈沖激勵電源。該電源通過現場可編程門陣列( FPGA)產生脈沖觸發信號，經專用驅動電路驅動功率MOSFET實現幅值0~ 1.5 kV、脈沖頻率10 Hz~1.5 kHz、脈沖寬度3～30及脈沖個數在1~100的內高壓的精確控制  實驗數據表明，該電源系統設計合理，上升時間達到納秒級，基本能滿足電磁超聲應用要求、

關鍵詞：脈沖電源；同步驅動；MOSFET；光纖隔離；FPGA

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

0  引言

    在航空航天及國防建設中，各類先進發動機、高速飛行器、高速侵徹彈藥等武器裝備的設計優化和火力性能評價，急需超高溫條件下溫度等參數的測試技術。電磁超聲檢測技術在航空航天、國防和工業生產中應用廣泛，該技術是一種無需耦合劑的檢測方法，它利用電磁感應渦流原理激發超聲波，需要高壓窄脈沖施加在激勵線圈上，從而產生交變電磁場，激勵超聲波。作為電磁超聲檢測系統中的重要部分，電磁超聲脈沖電源決定了檢測的性能。

    作為多學科邊緣交叉技術的應用，激勵電源主要涉及了自動控制、電磁技術和電力電子器件等多學科。國外將開關器件用于制作脈沖電源的技術已經十分成熟；1998年，美國勞倫斯里弗莫爾實驗室設計的ARM-11用于感應加速器，每個調制器由1300多個場效應管組

成，28層串聯的MOSFET，其輸出電壓可達15 kV，電流4.8～6 kA，脈寬200 ns到2可調，最高重復頻率2MHz;日本KEK的12GeV-PS感應同步加速器，其功率源由一個全MOSFET開關電路組成，4個橋臂中，每個都是由7個MOSFET串聯，輸出電壓幅度是2.5 kV，電流18A，上升時間和下降時問均為30 。根據電磁超聲測溫的需求，本文設計了一種高速激勵電源，它采用功率MOSFET作為開關器件。高壓脈沖波形在一定范圍內可以實現隨脈沖發生器的設置而改變，符合電磁超聲理論和實驗研究的需求。

1  脈沖電源原理及實現方法

1.1脈沖電源原理

    作為直流電源，脈沖電源的工作原理是：首先通過儲能元件，使得一次能源擁有相當的能量；其次，向巾間存儲器和脈沖整形系統放電；然后能量通過存貯、壓縮、變換等復雜過程之后，脈沖電源就形成了。

1.2直流斬波

    脈沖電源的實現方法可分為3種：1）利用儲能元件充電放電的形式獲得；2）通過逆變的方式從直流獲得；3）通過直流斬波方式獲得。相比來說，方法1）是將開關信號直接作用在直流環節，控制回路放電，該種方法沒有單獨的控制信號產生單元，結構較為簡單，可以得到高壓窄脈沖，但是其波形較難控制，各類參數較難調整；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雜的結構，并且脈沖的占空比、頻率、幅值不易調整；方法3）是把信號產生與直流環節分離，使得其具有控制方便、脈沖波形好、參數易調節等諸多優點。

    直流斬波法是利用電力電子器件的高速開關的特性，通過調整器件的開關頻率，或者調整直流電斷開與接通時間的比值，得到預期的輸出參數。電力電子器件

2高壓脈沖電源系統

2.1高壓脈沖電源結構

    本文依據直流斬波法設計了脈沖激勵電源，其原理如圖1所示。

    首先通過變壓器把市電升壓，然后通過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能元件充電。由FPGA構成的觸發器發出觸發信號，通過光纖傳送到電力電子器件的驅動電路，控制開關電路的開通與關斷，將高壓直流電斬成高壓脈沖輸出給負載。

2.2主電路

脈沖激勵電源主電路如圖2所示。

    市電通過調壓器調壓后再經變壓器升壓，通過整流橋后對電容器組進行充電。充電完成后，開關開啟對負載放電。充電電容器組兩端并聯加入一個高壓真空繼電器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電容并聯，可以使得電容在充電過程中電壓均等。

2.3開關器件選擇

    在該可控高速高壓脈沖電源中，脈沖電源的輸出質量直接由開關器件的選擇決定。其中常用的是絕緣柵雙極型晶體管( IGBT)和MOSFET，它們都屬于電壓驅動型器件，具有驅動功率小，安全工作區寬等優點。而MOSFFT的顯著特點是其漏極電流由柵極電壓控制，所以其驅動電路簡單，驅動功率??；并且MOSFET的開關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作為開關器件。

    本文的調制開關是使用2個相同的功率MOSFET通過串聯的方式構成。功率MOSFET，漏源擊穿電壓1000 V，穩態電流18 A，脈沖電流60 A，2個功率MOS-FET串聯后擊穿電壓達到2000 V，該電源放電時，電容的脈沖電壓最大為1800 V，所以該調制開關完全滿足要求。開關器件在串聯使用時，需要解決均壓的問題。2個功率MOSFET的等效輸出一致性通過并聯均壓電容解決。

2.4控制與驅動電路

2.4.1  控制電路

    由于脈沖發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。因此需要兩者進行電氣隔離，否則會造成觸發裝置的損壞，開關器件也將無法工作。光纖隔離技術因其光發射與接收器件的獨立性從而具有更高的電壓隔離能力和更遠的傳輸距離，另外，考慮到本電源的應用背景，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作為脈沖發生回路和控制電路的高低壓隔離手段。

    將光纖發送頭兩端分別接在三極管的發射極和集電極。當三極管基極輸入高電平時，發射極和集電極導通，將光纖發送頭短路，即沒有光信號輸出，當基極輸入低電平時，三極管截止，光纖發送頭導通，發出光信號，三級管的控制信號由脈沖發生器給出。

    系統中采用美國安捷倫公司的光纖發送頭，其上升與下降時間分別為1.30 ns和3.08 ns。并且發送頭和三極管并聯的形式與串聯的形式相比，可以極大地消除發送信號的毛刺。由于電路中存在分布電感，若發送頭與三極管串聯，在三極管開通時會產生震蕩，使光纖發送頭誤導通，在關斷時會在開關器件兩端產生相對的高壓。同樣由于分布電感的存在，并聯形式可以在三極管關斷時加快光纖發送頭的導通，而開通時由于光纖發送頭被短路所以不會受到影響。當光纖接收頭接收到光信號時就為功率MOSFET驅動電路提供了控制輸入信號。

2.4.2  驅動電路

    MOSFET驅動電路采用UCC27321集成芯片。UCC27321能輸出9A的峰值電流，并且能夠快速地驅動功率MOSFET，當負載在10 n F時，UCC27321輸出脈沖的上升與下降時間僅為20 ns。

    本文開關器件由2個功率MOSFET串聯構成，當開關器件串聯時，2個器件的控制信號必須獨立給出，為實現波形要求，2個器件的控制信號還必須具有良好的同步性。光纖發送電路由2個光纖發送頭串聯一起，電流通過使其發光，極大地提高了其同步性。

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

    同步驅動電路如圖3所示。2個功率MOSFET不共地，驅動芯片供電直流電源為懸浮地。

2.5脈沖發生器

    單個脈沖周期分為兩部分，高電平持續時間與低電平持續時間。通過采用2個計數器來控制占空比的方式改變周期，計數器采用可并行加載初始值的Ⅳ位減法計數器。當設定的高電平時間給第1個計數器賦值后程序開始，當計數器到零時自動停止并啟動第2個計數器。第2個計數器當中賦值為低電平時間，當第2個計數器到零時，自動停止。此時，完成了一個完整的脈沖控制信號，即完成了一個完整的脈沖。其流程如圖4所示。

    在確定了脈沖的頻率寬度和每次作用的個數后，通過FPGA 上的按鍵實現所需要的觸發信號，此觸發信號經光纖傳輸到功率MOSFET專用驅動模塊的輸入并輸出控制功率MOSFET。

3實驗

3.1串聯驅動實驗

    保障功率MOSFET串聯能夠工作的關鍵是功率MOSFET具有良好的驅動同步性。圖5所示為實際測量的2個MOSFET的驅動波形。

    從波形中可以看到驅動同步性比較一致，波形放大后，其不同步性相差小于25 ns，至于不同步時間小于多少，開關器件才能串聯工作，取決于驅動下2個開關器件上的動態均壓情況，如果沒有因為驅動的不同步而引起在開通或關斷瞬間的過電壓情況出現，則可認為同步性良好，可以串聯工作。

3.2脈沖電源實驗

    用脈沖激勵電源激勵超聲波，對負載為23 H和135 VH的電感線圈分別試驗。圖6a為負載23 H電感線圈脈沖波形，脈寬為3 ，電壓幅值為900 V。圖6b為負載135H電感線圈脈沖波形，脈寬為30，電壓幅值為1. 34 kV，基本滿足電磁超聲激發要求，可以進行超聲實驗。但是電源輸出存在一定震蕩，下一步改進電源性能，減小震蕩。

4結論

    綜上所述，采用光纖發送接收頭配合功率MOS-FET串聯這種技術路線，有效地解決了功率MOSFET驅動的同步性問題，利用FPGA制作的脈沖控制器可準確控制脈沖電源的脈寬、頻率及脈沖個數，在一定范圍內可以實現高壓脈沖波形隨脈沖發生器的控制，能夠滿足電磁超聲理論和實驗研究的要求，同時大大降低實驗成本，且結構簡單。