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。