大连理工大学
硕士学位论文
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
姓名：苗立江
申请学位级别：硕士
专业：电机与电器
指导教师：李洪春
20050616
大连理工大学硕十学位论文
摘要
电快速瞬变脉冲群发生器是用于电磁兼容抗扰度试验的设备，目的是用以模拟小感性负载的切换、继电器触点跳动或高压开关装置的切换而产生的干扰信号。它作为电瞬变脉冲群抗扰度试验的主要设备，随着国家强制认证标准的实施，已成为检测产品电磁兼容性设计中的重要工具。目前国内市场上的脉冲群发生器大多是由国外进口，采用先进的半导体器件，价格昂贵，对于～般产品开发单位难以负担。本文所设计的电快速瞬变脉冲群发生器是通过采用充氢闸流管作为主回路放电开关，与其它半导体开关器件相比它能够耐受更高的电压，可以承受大的电压电流变化率，工作可靠。充氢闸流管在快速瞬变脉冲群发生器中的应用不仅可以提高发生器的稳定性，而且能够大幅度降低成本。本文为闸流管设计了良好的触发电路，对其性能进行深入挖掘，对放电主回路进行了优化，减小了回路电感，使发生器产生符合要求的快速上升沿脉冲群。在发生器设计中，采用单片机控制系统对充电电压进行采集、转换和处理，然后通过ＬＥＤ数码管显示，同时还设计了与上位机的接口电路用来实现计算机智能控制。
为了降低发生器的体积和重量，提高电源效率，本文采用开关电源取代以往的线性电源。针对开关电源易产生较强电磁干扰的缺点，采用吸收变压器抑制高频逆变器产生的电磁辐射，并且通过对高频逆变器等效电路进行仿真分析证明了这一措施确实大大减，ｂＴ电磁辐射。用改进的滤波器抑制共模、差模信号的传播干扰，设计新型的光耦隔离触发电路以提高电路的整体抗干扰能力。以上措施从整体上提高了电源的电磁兼容性，使它在复杂的电磁环境中可以稳定运行。
经实验检验，本研究开发的电瞬变脉冲群发生器具有良好的人机界面，操作简单，经济实用。
关键词：开关电源；脉冲群；氢闸流管；电磁兼容；单片机
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＦａｓｔＴｒａｎｓｉｅｎｔ（ＥＦＴ）ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
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Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｖｏｌｕｍｅａｎｄｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅ
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ＩｔｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｖｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｈａｔｔｈｅｐｕｌｓｅｔｒａｉｎｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｓａｆａＶｏｒａｂｋｉｎｔｅｒｆａｃｅ，：ａｎｂｅｈａｎｄｌｅｄｓｉｍｐｌｙａｎｄｃｏｓｔｌｏｗ．
Ｗｏｒｄｓ：Ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒ；ｐｕｌｓｅｔｒａｉｎ；ｈｙｄｒｏｇｅｎｔｈｙｒａｔｒｏｎ；ＥＭＣ；ＭＣＵ
Ｋｅｙ
一Ⅱ一
独创性说明
作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
大：匿哩工大学硕士学位论文
１绪论
１．１引言
随着电子、通信和计算机技术的广泛应用和发展，电子电气设备、产品的大量使用，在工业、军事和日常生活中，电磁干扰广泛存在，电磁干扰及其抑制问题日益突出。为使各种电子电气设备、产品在日趋复杂恶化的电磁环境中能够安全可靠的工作就要对产品进行电磁兼容设计。自２００２年５月１日起实施的国家强制认证制度——３Ｃ认证也对产品的电磁兼容标准提出了具体的要求。为了确保电磁兼容设计的正确性和可靠性，科学的评价设备的电磁兼容性能，就必须在研制的整个过程中对各种干扰量、传输特性和敏感器（受扰设备或元器件）的敏感度进行定量测定，以验证设备是否符合电磁兼容标准和规范：找出设备设计及生产过程中在电磁兼容性方面的薄弱环节，为用户安装和使用设备提供有效的数据。因而电磁兼容试验已经成为所有电气和电子设备厂家所不得不面对的问题。由于电磁噪声的时域、频域特性比较复杂，而且频率范围经常高达几十ＧＨｚ，因而电路或设备中的分布参数对电磁发射与抗扰度的电平值影响都比较大。目前数学建模计算以及计算机仿真的结果与实际情况之间还存在很大的误差，该误差往往大到不可接受的地步Ⅲ。最终制定满足系统要求的指标，只有依靠实际测量。因此至今在ＥＭＣ领域中对大多数情况仍主要依靠试验来分析、判断解决问题。正如国外一些专家所指出的“对于最后成功的试验，也许没有任何其它领域像电磁兼容领域那样强烈地依赖于试验”，因而实际测量对于电磁兼容领域来说，格外重要，并且由于电磁噪声的特点，对于测量仪表、测量场地与测量方法要求也十分严格。１。在实际工作中，电磁兼容试验的范畴非常广泛，电磁兼容试验是涉及领域比较多而且比较深奥的一门科学。
目前主要的电磁兼容试验有静电放电抗扰度试验、射频辐射电磁场抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、雷击浪涌抗扰度试验、由射频场引起的传导干扰抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验、电压跌落抗扰度试验和衰减震荡波抗扰度试验等八项抗扰度试验。１。这些抗扰度试验通过模拟各种电磁干扰来确定受试设备在相应的电磁干扰环境下的抗干扰能力。与抗扰度相配套的电磁兼容测试设备要求具有稳定性好，灵敏度高，频谱，动态范围大等特点。为模拟各种电磁干扰，发达国家不惜人力，财力研究各种干扰（人为的。自然的）性质，将他们仿真出来，并制造出来模拟干扰波形的设备，我们将这些设备称为干扰模拟器。干扰模拟器是进行抗扰度试验的重要设备，所以它的发展状况在很大程度上也代表着电磁兼容试验的水平。
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
快速瞬变脉冲群发生器是电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的主要设备，用来模拟由于小感性负载的切换，继电器触点跳动或高压开关装置的切换而产生的干扰信号。这种干扰上升时间短，重复频率高．能量低，会对电子设备产生骚扰。在实践中。因这种干扰造成设备故障的机率较少，但使设备产生误动作的情况经常可见。快速脉冲群发生器能够检测处于这种电磁干扰环境下的电子设备的抗瞬变脉冲的能力，它广泛的应用于工业电子、通讯、医疗电子、家用电器、办公室自动化等领域的电磁兼容设计、认证、制造、评估、诊断和测试。’
快速瞬变脉冲群发生器主要是利用高压脉冲技术产生高频高压快速脉冲，因其工作在高频高压下，对脉冲充电和形成回路中的器件的要求很高。为了在很短的时间内达到较高的电压，过去的发生器采用传统方式——储能电容驱动火花间隙开关，但由于它存在许多缺点，现在有被现代固态发生器取代的趋势“１。本设计尝试采用充氢闸流管作为开关器件。以实现纳秒级高压脉冲。同其它半导体开关器件相比它能够耐受更高的电压，可以承受大的电压电流变化率，工作可靠。充氢闸流管的在快速瞬变脉冲群发生器中的应用不仅可以提高发生器的稳定性，降低成本，而且能够为充氢阐流管在高压高频小功率脉冲中的应用作进一步的研究。
１．２国内外的研究现状
世界各国电磁兼容技术的发展很不平衡，发达国家如美国、英国、德国和日本等，关于电磁兼容的研究，每年都投入大量的入力、物力和财力，开展很多相应的研究工作，因此这些国家在关于电磁兼容技术的研究、标准的制定和电磁兼容测试及认证等领域已处于世界领先地位。随着电磁兼容测试技术的发展，快速脉冲群旋生器作为一种重要的电磁兼容测试设备也得到了不断的发展，已经有许多国外厂家（如瑞士和德国）研制出来并已经投放市场，如瑞士的夏弗纳电子股份公司的ＮＳＧ２０２５和哈弗莱电子股份公司的ＰＥＦＴ４０１０。他们研制的快速脉冲群发生器大多采用先进的半导体器件作为主回路的放电开关，实现产生快速脉冲的目的，再配以相应的控制电路来实现快速脉冲群发生器的智能化‘５１［６］“１嘲。
我国的ＥＭＣ测试及标准化工作始于七十年代，当时国内的～些院所建立了相对简陋的实验室，开展无线电干扰测试研究，同时参考前苏联和欧美国家的标准制定了我们国家自己韵Ｅ∞标准和技术条件．自从１９９６年成立了全国无线电干扰标准化委员会后，我国才开始有组织有系统的对应ＣＩＳＰＲ／ＩＥＣ开展国内ＥＭＣ标准化工作。我国己将产品的
－２－
大连理工大学硕士学位论文
电磁兼容性要求纳入了国家强制性产品认证范围，国家规定从２００３年５月１日起凡列入国家强制性产品认证目录的产品未经认证不得出厂、进口和销售。这也促进了我国电磁兼容测试技术的发展。由于技术、经济方面的原因，我国快速瞬变脉冲群发生器主要引进国外产品，在国内只有少数几家公司能够生产，比较著名的是日本与上海电科所合资的上海三基电子工业有限公司。由于国内的半导体工艺的限制，他们大多引进国外的半导体器件和技术来生产发生器，因此成本比较高。如三基电子的生产的脉冲群发生器ＮＳ６１００．４中主回路放电开关就采用了德国高速高压半导体开关。
总之，国内外的快速瞬变脉冲群发生器大多采用先进的半导体器件作为主回路放电开关，由于这种半导体器件要求工艺高，它的价格也是非常昂贵的。本设计采用充氢闸流管作为快速脉冲群发生器的主回路放电开关是～种新的尝试，它的应用不仅可以大大降低产品成本，增强产品在国内为市场的竞争力，而且由于真空电子器件的稳定性，也提高了产品的可靠性酬”…１。
１．３本文的主要工作
快速瞬变脉冲群发生器包括高压直流电源、闸流管及其触发电路、试验控制系统等三部分组成。围绕快速瞬变脉冲群发生器的设计与实现，本课题主要包括以下几个部分：
（１）高压直流电源的设计
采用ＰＷＭ型高压开关电源为发生器提供电压。同时针对开关电源易产生较强电磁干扰的缺点，采用吸收变压器抑制高频逆变器产生的电磁辐射，并且通过对高频逆交器等效电路进行仿真分析证明了这一措施确实大大减小了电磁辐射。用改进的滤波器抑制共模、差模信号的传播干扰，设计新型的光耦隔离触发电路以提高电路的整体抗干扰能力，通过以上措施从熬体上提高了电源的电磁兼容性，使它在复杂的电磁环境中可以稳定运行。
（２）充氢闸流管的触发电路的设计
充氢闸流管作为发生器的主回路放电开关，它的性能直接影响到发生器输出脉冲的性能。而在充氢闸流管的使用过程中，一个合理的触发电路可以充分地挖掘闸流管的性能参数，优化氢闸流管的工作特性。在本设计中对充氢闸流管的触发电路进行了设计，不但简化了以前的电路而且电路性能有了很大提高。
（３）主电路参数的确定
．３－
电恢速瞬变脉冲群发生器的研究
首先通过仿真确定电路参数。其中最主要的是主电路电感，它直接影响到单个脉冲前沿的陡度，为了减小回路中电感，采用无感电容，无感金属膜电阻，同时加大导线截面，减小导线长度。
④快速瞬变脉冲群发生器的控帛４系统
为了实现发生器的智能化，采用单片机进行控制实现显示等功能，同时设置与计算机的接口，编写控制软件，实现计算机控制。计算机控制的实现可以为将来整个电磁兼容测试平台的建立提供良好的接口。‘
（５）发生器电磁兼容问题的考虑
由予发生器是用子电瞬交脉冲群抗扰度测试的主要设备，它自身必须具有良好的抗扰度，尤其对于孵变脉冲，因此设计自始至终都必须认真考虑这一问题。
发生器预期的性能指标。’包括：
在按５０Ｑ负载的情况下，发生器产生的单个脉冲的上升时间ｆ，＝５（１±３０％）ｎｓ：
单个脉冲持续时间（半峰值）＾产５０（１±３０％）ｎｓ；
脉搏重复频率和输出电压峰值：
０．２５ｋＶ时为Ｓ（１４－２０％）ＫＨｚ；
０．５ｋＶ时为５ｎ＿２０％）ｋＨｚ；
ｌｋＶ时为５（１４－２０％）ｋＨｚ；
２ｋＶ时为２。５（１±２０％洫Ｈｚ；
脉冲群持续时间１５（１±２０％）ｍｓ；
脉冲群周期３０００±２０％）ｒｎｓ：
发生器动态输出阻抗为５０（１±２０锄Ｑ；
发生器与电源的关系为异步。
．４一
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２高压开关电源的设计
２．１概述
作为快速瞬变脉冲群发生器的电源我们有三种选择：相控电源、线性电源、开关电源。
相控电源即相位控制型稳压电源，它的主要原理就是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，所以如果采用适当的控制电路使晶闸管的导通相位根据输入电压或负载电流变化自动调整，整流器的输出电压就能稳定不变。
线性电源也是一种常用的稳压电源，通过串联调整管可以连续控制，它的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大器、反馈采样部分以及基准电压部分等。
开关电源是将工频交流整流后，由功率开关管将脉动直流电压斩波成高频方波，并由高频变压器转换成所要求的电压的方波，最后再将这一方波经过整流滤波得到所需要的直流电压，开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高，由于开关工作频率高，变压器的体积大大减小，滤波电感、电容数值较小。
由于线性电源的电磁兼容性较好，传统的电磁兼容测试仪器中一般采用线性电源。但是线性电源的调整管工作在放大状态，因而发热量大，效率低（３５％左右），需要加体积庞大的散热片，而且还需要同样也是大体积的工频变压器。而开关电源的调整管工作在饱和和截止状态，因而发热量小，效率高（７５％以上）而且省掉了大体积的变压器。现代仪器包括计算机大都选择开关电源供电，本快速瞬变脉冲群发生器也选择开关电源作为工作电源。
开关电源工作在高频下，很容易产生电磁干扰，因此开关电源相对于线性电源虽然具有许多优势，但却极容易影响周围设备和自身工作的可靠性。尤其是高压下电源高频变压器产生的干扰更加严重。为了克服这一缺点，我们采取了吸收变压器以抑制分部电容的危害，降低高频噪声辐射；同时采用改进的滤波电路以及光电隔离触发电路等措施提高电源的抗干扰能力。从整体上提高了开关电源的电磁兼容性，使它在复杂的电磁环境下能够稳定运行“”。
基本的隔离式高频开关电源的原理框图如图２。１所示，高频开关电源主要由输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路、辅
．５，
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
助电源等几部分组成ｍ３。其基本原理是：交流输入电压经电网滤波、整流滤ｉ皮得到一脉动的直流电压，通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的高质量、高品质的直流电压。
ｉ…－－．……一－，…一一一…．‘…‘??…－‘＿－?…???’
图２．１开关电源的基本原理框图
Ｆｉｇ．２．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ
下面就图２．１中每一部分的作用、原理分别简述如下：
（１）输入电网滤波器：消除来自电网的各种干扰，如电动机起动、电器开关开断、雷击等产生的尖峰干扰。同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散而污染电网。
（２）输入整流滤波器：将电网输入的交流电进行整流滤波，为变换器提供波纹较小的直流电压。而且，当电网瞬时停电时，滤波电容器储存的能量尚能使开关电源的输出维持一定的时间。
（３）高频开关变换器（ＤＣ－ＡＣ）：它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电，经过高频变压器再变成所需要的隔离输出交流电压。
（４）输出整流滤波：将变换器输出的高频交流电压滤波得到需要的直流电压。同时还防止高频噪音对负载的干扰。电路原理与输入滤波器相同。
（５）控制电路：检测输出直流电压，与基准电压比较，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。一般控制电路还包括启动及禁止电路。
（６）保护电路：在开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。有的还有发出报警信号的功能。
－６－
～奎堡里三奎堂堡圭堂壁堡奎
２．２高压开关电源主电路的设计
２．２．１ＰＷＭ开关变换器的设计
开关变换器的设计主要从以下几个方面考虑
（１）拓扑结构的选择
ＰＷＭ开关变换器按工作方式分为：单端反激、单端正激、推挽、半桥和全桥，这５种类型的功率变换器各有其特点。为了便于比较，表２．１中列出了它们的主要特性。通过比较可知：单端电路比较简单，输出功率较小，且磁芯利用率低；而双端电路输出功率较大，磁芯利用率高，但电路比较复杂。其中半桥式变换器具有其它两种双端式变换器没有的一个突出特点，就是抗不平衡能力“”。对于中小功率的高压开关电源这一点尤为重要。权衡各种拓扑结构的优缺点，本设计决定采用半桥式变换结构。
表２．１几种变换器主要特性比较
Ｔａｂ２．１Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｆｉｓｔｉｃｏｆｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｃ∞ｖｅｎｏｆ
＼＼娄型
单端反激单端正激推挽半桥全桥比较项卜＼
开关管上所
∽＋妥％ｕ，（１＋至）２矿Ｕ．配加晟大电压
开关管个数１ｌ２３４
开关管最大堡ｆｌ＋鱼）旁ｏ＋等只２只Ｒ
峰值电流Ｕ，、乙’己，，ＵＵ，
脉冲控制时ｆＲ。乙Ｕ，ｎ２乙Ｕ｝ｎ２乙Ｕ，Ｈ２ｋＵ，”２瓦。Ｕ
输出电压Ｖ２Ｌ?√乙％Ｈｌ（Ｌ＋％）Ｈ１（疋。＋砀）２ｎｌ（乙＋％）”１（毛＋％）
开关管防共
不要不要要要要态导通措施
控制电路简单简单较复杂复杂最复杂输出功率小小较大大最大
磁芯利用情况ＢＨ单方面ＢＨ单方面ＢＨ两方面ＢＨ两方面ＢＨ两方面
（２）半桥型开关变换器的工作原理和电路分析
①工作原理
半桥逆变式功率转换主电路的形式及工作波形如图２．２所示。
．７．
电快速瞬变脉冲群发生器的研究’牟五ｌ扭Ｌ
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图２．２半桥逆变功率转换器主电路及其工作波形
Ｆｉｇ．２．２Ｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｈａｌｆｂｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ
当两只开关管乃，乃都截止时，若两只电容相等，即Ｃｌ＝ｃ２，则电容中点Ａ的电压为输入电压的一半，即‰１一靶＝Ｌｋ／２。当五导通时，电容Ｃ１将通过ｎ和变压器原边ⅣＩ放电，同时，电源电压￡么通过死和变压器原边Ⅳ１放电为电容ｃ２充电，中点Ａ的电位将有所上升；当五导通结束时，两只开关管死，丁２又都截止，它们的端电压又都回到输入电压的一半，即Ｌ，出／２。当疋导通时，乃截止，电容ｃ１被充电，ｃ２放电，Ａ点的电位下降；疋导通结束后，又回到死，乃都截止的状态“…。
从图２．２所示的波形中可以看出。开关管开通瞬间，也存在电流尖峰，这同样是由于副边整流二极管的反向恢复造成的，只是图中没有画出副边整流和滤波电路。当开关管由导通刚刚变为截止时，开关管两端除了承受电压己ｋ／２以外，还有较高的电压尖峰。这也是由于变压器原边漏感和引线电感上贮存的能量释放引起的，由于二极管Ｄｌ，Ｄ２的箔位作用，开关管的端电压最高为【么。
②电路分析
若把乃、死视为理想开关并引入理想变压器模型，图２．２电路可简化成图２．３，且有
一８－
巨
大连理工大学硕士学位论文
Ｒ：ｆ堕ｈ＝Ｋ２Ｒｆ
（２．１）ＬＮ２／。
式中，Ｎ１、飓为主变压器Ｂ的初级、次级匝数，Ｋ为变压器的变比，母为输出负载电阻，Ｒ为等效负载电阻。
图２．３等效电路
Ｆｉｇ．２．３Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ
在图２＿３中，两闭合时ｃｌ放电、Ｃ２充电，＆闭合时ｃ２放电、ｃｌ充电。若＆闭合视为正半波，则＆闭合为负半波。对于消耗在五上的有功功率，正负半波皆可等效为一个图２．４所示ＲＣ电路的零输入响应
其中Ｃ＝－ＣＩ＋Ｃｚ（２．２）
Ｃ卜
图２．４简化等效电路
Ｆｉｇ．２．４Ｓｉｍｐｌｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ
在图２．４中，正半波时韵“。即为图２．３中的“。ｌ，Ｓ即为Ｓ１；同理，负半波对稚为＂＆，Ｓ为是。若设Ｃ上的电压胡始
Ｕｃｂ＝“。（２．３）
－。９．．
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
图２．３中的＆闭合后，若设最大脉宽为‰，依据图２．４可求得‰
Ｕｃｌ：“。：“，Ｐ一％。０≤ｆ≤‰％卜咿一≯
一。％“。：Ｉ，：‰＝Ｅ－ｕ。。ｌ，；‰＝Ｅ一“，ｅ／（２．４）（２．５）
（２．６）一个周期后，电路回到户０时的初始状态，因此可把式（２．６）与式（２．３）合并，即有
一ｆ。／
Ｅ一“。ｅ７
＝“ｍ从式（２．７）中可求出“。
Ｅ“Ⅲ５—ｌ＋＿ｅ：历Ｒ７ｃ
（２．７）
（２．８）
若ＲＣ》‰，‰又可表示为ｕ，。＝Ｅ／２
由此可见，当电路的时间常数月ｃ＞＞ｔｏ．时，ｃｌ、ｃ２两端的电压值皆恒定为Ｅ／２。则电路在一个周期内消耗在Ｒ上的有功功率的平均值Ｐ可表示为
（２．９）式中。为死区时间。
（３）开关元件及驱动
①开关元件的选择
半桥式功率转换电路高压开关管上施加的最高电压点ｋ，对应最高输入电网电压时的直流输入电压为
．｝Ｏ一
击生艚蠹㈡Ｔｋ
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瓦＝２２０ｘ（１＋ｏ．１）×压＝３４２．２Ｖ（２．１０）
考虑变压器漏感及回路引线电感在关断瞬间引起较大的反峰尖刺的影响，应给予适当的裕量，开关管的反压应不低于５００Ｖ。
激励电源功率转换效率按（８０－－８５）％设计，工作频率为５０ｋＨｚ，最大脉冲占空比为６＝０．８，要求输入功率为２５０Ｗ。在电网为。１０％时，输入变换器的直流电压Ｅ＝２３８Ｖ，脉冲电流幅值Ｉ。－－２．６３Ａ。考虑到次级整流二极管反向恢复时间的影响及容性负载引起的开关管开启时产生的电流尖峰，应取开关管承受的最大电流幅值厶。ｍ５Ａ。根据上述计算结果及５０ｋＨｚ高频工作的要求，采用的功率开关管主要特性参数为：开关管最大功耗只ｍ＝１２５Ｗ：场效应管最大反向耐压阳Ｇ＿５００Ｖ；最大电流ｌｃ≈８Ａ：场效应管跨导譬ｆＯ．８Ｑ；场效应管导通时升、降时间‰≥ｌＯＯｎｓ：场效应管截止时升、降时间ｔｏＳＳ．１００ｎｓ。选取功率ＭＯＳＦＥＴ开关管ＩＲＦＰ４６０完全符合要求。当然每个功率管还需配以相应的ＲＣＤ吸收网络用于吸收ＭＯＳＦＥＴ管关断时所产生的尖峰脉冲，保护ＭＯＳＦＥＴ管。
②ＭＯＳＦＥＴ场效应管的驱动电路
由上所知，功率ＭＯＳＦＥＴ工作频率可以达到很高，但是，当功率ＭＯＳＦＥＴ工作在高频时，就会出现振荡。为了防止振荡，应注意两点：
首先尽可能减少功率ＭＯＳＦＥＴ各端点的连线长度，特别是栅极引线。或者在靠近栅极处串联一个小电阻以便抑制寄生振荡；其次由于功率ＭＯＳＦＥＴ的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免难反馈所引起的振荡。
＋１５
图２．５驱动电路
Ｆｉｇ．２５Ｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ
电快速瞬变脉冲群发生器的研究
功率ＭＯＳＦＥＴ的驱动我们采用ＴＬ４９４脉宽调制器产生可调的ＰｗＭ波在经过高速光祸６Ｎ１３７进行隔离传送到驱动电路驱动开关管。驱动电路如图２．５所示当光耦导通时，三极管Ｑ１导通将Ｑ２管基极电压拉下来，使得Ｑ２截止。功率管栅极经１００Ｑ电阻充电使它导通。当光耦器件截止时，ＱＩ由二极管Ｄｌ和电容ｃ１组成的加速网络向三极管提供基极电流使三管导通并由此将ＭＯＳＦＥＴ的栅极接地，迫使其关断。为了防止栅极过压击穿，在栅源间加稳压二极管保护。同时栅极串接１０ｏ左右的阻尼电阻，防止栅极振荡过压，且阻尼电阻并联了加速电容。‘
２．２．２高频变压器的设计
当前开关电源的主要研究及应用方向为低电压大电流，开关电源中使用的高频变压器也主要是降压的，副边绕组砸数较少，分布电容一般不用考虑，在变压器设计中只要采用适当的磁芯、绕组形式，把漏感降低到要求的水平即可。
本设计中的高频高压变压器副边绕组砸数多、电压高，漏感和分布电容对电路的影响（漏感和分布电容造成脉冲电压尖峰和浪涌电流，使功率器件失效）不可忽略。所以在研制时，对磁芯材料的选择，磁芯的结构，绕制工艺等都要有周密的考虑。
（１）分布电容的抑制
图２．６变压器各部分的分布电容
Ｆｉｇ．２．６Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓｉｎａｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
变压器中，绕组线匝之间、同一绕组上下层之间、不同绕组之间、绕组对屏蔽层之间沿某一线长度方向的电位是变化的，这样形成的电容不同于静电容，称为分布电容。为分析方便，用集中电容代替各部分的分布电容，见图２．６所示。考虑漏磁通，又考虑分布电容时变压器的等效电路如图２．７ａ所示。图中各参数都已折算到初级。ＲＩ，恐和
，１２一
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厶。工厶分别为原、副绕组的电阻和漏感：Ｌ。，月尼为励磁电感和铁损；ｃ１为原边绕组的层间和匝间的分布电容，Ｃ２为副边绕组的层间和匝间的分布电容，因为匝间电容为每一匝间电容的串联，其值很小，Ｃｌ，ｃ２主要为层间电容。ｃ１２为原副边之间的分布电容
【【训
。
变压器一般效率都大于９８％，所以其铜损和铁损较小，即Ｒｌ，如和Ｒ忍可以忽略；励磁电流通常很小，厶的影响也可忽略。因此变压器的等效电路可简化为图２．７ｂ所示。。
（ａ）（ｂ）
图２．７变压器的等效电路图
Ｆｉｇ．２．７Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｌｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
由上面的简化电路可以得出：绕组间的分布电容Ｃ１２使变压器原副边产生电容耦合，使原边的高频噪声耦合到副边；分布电容ｃｌ，Ｃ２：使变压器内部和主电路回路中产生高频的振荡环流，使变压器和功率器件损耗增大，从而发热、失效，并且产生高频电磁辐射。因此在本设计中必须尽量减小变压器的分布电容。
（ａ）变压器绕组结构（ｂ）等效电路
（ａ）Ｔｈｅｃｏｉｌｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ（ｂ）Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ
图２，８用吸收变压器转移电容ｃ２的能量
ｃ２Ｆｉｇ．２．８Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｕｓｉｎｇｂａｌａｎｃｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｆｏｒｔｒａｍｆｅｒｔｈｅｅｎｅｒｇｙｉｎ
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电快速瞬变脉冲群发生器的研究
为了减小分布电容，除了采取相应措施以外，同时设计了两个吸收变压器减小了分布电容的危害㈨“３。
在变压器的制作过程中，在绝缘材料的选择和绕制等方面也尽可能减小各部分的分布电容。通过在原副边之间加一屏蔽层使ｃｔ２的值降为零。
因为变压器为升压型，电容ｃｌ与Ｃ２相比对电路的影响较小。为了减小副边分布电容ｃ２的危害，在设计中把变压器副边设计成双绕组，用吸收变压器把两绕组间的分布电容的谐振能量转移到主电路之外（如图２，８所示），同时此方法也降低了高频噪声辐射。图２．８ｂ所示，由于吸收变压器的存在，相当于在电容ｃ２两端各加一个电阻，电阻使电流尖峰减小，从而使主回路的损耗减小。
当Ｃ：＝ｌｎＦ，Ｌｈ－＝１５ｕＨ，／，／Ｉ为ｆ＝５０ｋＨｚ，幅值为１５０Ｖ的正负方波时，利用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件对变压器等效电路进行仿真分析。当足，＝１Ｑ时，相当于没有加吸收电阻时，电流如波形如图２．９ａ所示：当Ｒ，＝ｌｋＯ时，电流如波形如图２．９ｂ所示。可见吸收变压器大大降低了主电路环流的振荡电流峰值，使谐振电感与分布电容处于阻尼状态，减小了电磁辐射。
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图２．９分布电容ｃ２的电流仿真波形
Ｆｉｇ，２．９Ｔｈｅｉｍｉｌａｌｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｃ２（２）变压器参数计算
在变压器参数计算中首先要确定变压器的工作频率，工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为ｆ。＝ＳＯＺｒＵｏＴ＝ｌ蕊＝２０ｓ。
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变压器其它参数的计算如下：
①选取磁芯材料和磁芯结构
选用Ｒ２ＫＢ铁氧体材料制成的ＥＣ型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。
②确定工作磁感应强度如
Ｒ２ＫＢ软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度艮＝ｏ．４７Ｔ，考虑到高温时Ｂ会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Ｂ，，＝Ｉ／３Ｂ。＝Ｏ．１５Ｔ。
⑨确定磁芯型号
根据功率查表确定磁芯型号ＥＣ４０，且ＥＣ型具有窗口面积大可绕绕线多的优点。
④绕组匝数计算
初级匝数：
Ⅳ１：旦五。１０２：！！！！！×１０：。２６．７取２７匝
１
２ＢＡ．２×１５００ｘ１．５
次级匝数
炉鲁Ｍ＝等棚堋
２．２．３整流滤波电路
（１）整流电路
高频电源系统还包括整流滤波部分，整流电路分为两个部分：前级整流和后级整流。前级整流是指单相交流电经滤波后需要整流变为直流以后才能输入到开关变换器进行频率变换，完成ＤＣ－ＡＣ的变换。后级整流部分，是将高频变压器变压后的高频交流电进行整流，这一部分将在放电主回路中详细介绍。
（２）滤波电路
由于电源模块工作于高频状态，而我们又必须获得无谐波的直流电压，【丑此，相对于相控型整流器，开关电源必须有更复杂的抑制干扰与滤除杂音的电路。共模与差模原理常被用来衰减及消除输入谐波。布局上为输入输出隔离，输出线用绞合线或平行配线（短且租）。机架地线与信号线分设。降低噪声经常采用消除或抑制干扰源并同时隔断干
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电快速瞬变脉冲群发生器的研究
扰耦合途径的方式。在开关电源中，采用电源输入滤波、工频滤波、抗辐射干扰等主要措施来减少噪声的传递与影响。
①电源输入滤波
开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流馈电线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载。
圉２．１０改进的滤波器
Ｆｉｇ。２．１０Ｉｍｐｒｏｖｅｄｆｉｌｔｅｒ
电源输入滤波主要由工频低通滤波器和共模扼制元件组成，封闭在磁屏蔽盒内且可靠接地。电源输入滤波又称电磁干扰（ＥＭＩ）或射频干扰（ＲｆＩ）滤波器，它可以有效的切断电磁干扰传播途径。
在电源输入滤波器中，通常用高频旁路电容和共模扼流圈来衰减和吸收纵向共模噪声，用常态滤波电感、常态滤波电容抑制差模常态噪声。本电源采用了改进的滤波器，如图２．１０所示。与普通的滤波器相比，增加了差模扼流圈，地线扼流圈以及瞬态抑制器（ＶＤＲ），同时在开关电源入口端用磁环套在引线端上。这样可以有效的摔制共模、差模干扰。实验表明，对于～个上升沿为５ｎｓ脉宽为８０ｎｓ的干扰脉冲来说，在其它条件不变的情况下，有没有这些扼流圈效果大不一样。例如在下面三种试验条件下，即１）受试设备不带滤波器；２）受试设备带波滤器；３）受试设备带有改进的滤波器时，分别具有３４０Ｖ，５００Ｖ和１３００Ｖ的抗扰度电平…。
②工频滤波
开关电源中工频滤波器接在工频整流与开关变换器之间，既能搀脉动电流变为平滑的直流，还能抑制高频干扰，尤其是开关变换中产生的高频干扰，图２．１１为开关电源的工频滤波器。
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