吴丽娟, 侯博锋, 孟德川, 于桂英

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

中子管离子源2 kV高压脉冲电源的研制

吴丽娟, 侯博锋, 孟德川, 于桂英

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院, 沈阳 110034)

高压脉冲电源在电场杀菌、等离子体发生器、激光技术、中子测井等领域有广泛应用。其中,属于核测井技术的脉冲中子测井技术需使用特定的脉冲和测量时序,因此设计了应用于中子测井技术中的高压脉冲电源系统。该系统通过单端反激式逆变电路和半臂逆对称式倍压整流电路得到了稳定的直流高压,通过开关管串联的方式解决了MOSFET管耐压不够的问题,设计了斩波控制电路,实现了高压状态下的斩波功能。对系统进行了带负载实验,实现脉冲电压0～2 kV,频率500 Hz～10 kHz连续可调,最小脉宽40 μs的精确控制,多次实验结果验证了该方案的可行性。该电源具有功耗低、体积小、实验成本低等特点,基本满足了测井中子管中对离子源的供电需求。

方波脉冲; 高压电源; 中子测井

0 引 言

中子管有2种工作方式:直流工作方式和脉冲工作方式。而脉冲工作方式是中子源的一大特色,在脉冲中子测井技术中通过脉冲电源控制中子管产生特定频率与脉宽的中子脉冲[1]。脉冲电源给中子管内离子源阳极高压供电时,离子源内的氘气体会被电离,电离后的氘离子经加速后打在靶上,与靶中的氚发生核反应,放出14.1 MeV中子;离子源阳极电压为0 伏时,便没有中子放出[2]。阳极脉冲高压的供电时间和电源工作频率决定放出的中子数量[3],为此本文研制了幅值2 kV的高压小功率脉冲电源系统,多次实验结果表明其脉宽与频率可调,输出稳定。

1 高压脉冲电源系统结构设计

高压脉冲电源系统的主要功能是将直流高压电通过斩波的形式产生一定频率和脉宽的脉冲高压电, 并将其作为中子管离子源的阳极电压, 使中子管产生与斩波脉冲一致的中子脉冲, 达到不同测井需求的应用。 为了得到良好的2 kV高压脉冲波形, 本文以MOSFET为开关器件设计实现了脉冲与频率可调的高压脉冲电源, 系统结构示意图如图1所示。 首先设计了直流高压电源产生直流高压, 再通过控制开关器件斩波, 将高压直流电“斩”成方波式的脉冲高压输出, 给中子管内部的离子源供电。 当输送给离子源阳极幅值为2 kV高电平电压信号时, 中子管工作并放出快中子; 离子源阳极为低电平, 即无电压信号时, 中子管不释放中子, 这样中子管便以脉冲形式释放中子。 被放出的中子与井眼和地层物质元素原子核相互作用, 测量经地层慢化返回井眼的热中子或伽马射线[4], 可计算出含油饱和度和孔隙度。

图1 电源系统结构示意图

2 高压直流电源设计

高压直流电源由逆变电路和倍压整流电路构成, 其整体结构图如图2所示。 逆变电路采用TL494给电路提供脉冲, 以MOS管20N60S5为主要开关部件。 TL494是一种固定频率脉宽调制电路模块[5], 能够输出单路或双路的方波脉冲信号。 20N60S5是常用于开关电源的场效应管, 它经过触发电路的控制和变压器共同将直流供电逆变成高频交流电, 再经过倍压整流电路后输出所需的高压直流电。

图2 高压直流电源结构图

高压直流电源整体工作原理如图3所示,逆变电路采用简单高效的单端反激式电路,由TL494组成的脉冲振荡电路产生的触发脉冲来控制开关管的导通与关断。脉冲为高电平时,20N60S5导通,电流经过变压器原边、开关管后流入地,此时在变压器原边产生了上正下负的电压;当TL494提供的脉冲低电平时,20N60S5截止,变压器原边无电流,电压为上负下正,这样就将直流电逆变成了高频交流电。该高频交流电经过倍压整流得到所需的高压直流电,倍压整流电路采用的是半臂逆对称式,在理想的情况下,输出端电压为

(1)

式中:N为变压器初、次级的匝数比,N=N1∶N2;n为倍压级数;Uin为变压器的初级供电电压;δ为占空比,

(2)

因此,在n、N、δ一定时,调节Uin就可得到连续可调的电压。本文根据理论计算和实际测量采用了5倍压整流电路得到所需的高压值,经测试能输出幅值0～2kV连续可调的直流高压。

图3 高压直流电源工作原理图

3 斩波电路的设计

3.1 斩波电路的原理

图4 斩波原理图Fig.4 Schematic of chopping wave

首先由触发电路利用脉宽调制(PWM)芯片产生触发脉冲信号,将该信号经过光耦隔离后驱动小功率MOSFET管。为了解决MOSFET耐压低的问题,每一路又分别使用了两只开关管串联,经实验证明MOS管串联可提高开关的耐压和电流的同时不会对开关前后沿产生太大影响。斩波原理如图4所示,由图4可知HV和GND两端为所加的直流高压,Q1和Q2是上半桥臂开关组,Q3和Q4是下半桥臂开关组。同步驱动1与同步驱动2是两路相位相反的驱动信号,同步驱动1控制着上半桥臂开关组,同步驱动2控制着下半桥臂开关组。当同步驱动1高电平来临时,同步驱动2无脉冲信号,Q1和Q2同时导通,Q3和Q4同时关断,负载R上得到峰峰值为电源电压的方波脉冲;当同步驱动2高电平来临时,Q1和Q2同时关断,Q3和Q4同时导通,负载R上电压为零,随着两路开关管的通断,在负载R上就可得到所需的高压脉冲波形。负载波形的频率可通过控制开关管的开关频率来调节,同样,改变开关的占空比也可以调节负载上脉冲的占空比。

3.2 触发电路设计

图5 SG3525触发电路Fig.5 SG3525 trigger circuit

为了能得到良好的脉冲波形,触发电路使用了SG3525,它是美国硅通用半导体公司(Silicon General)推出的用于驱动N沟道功率MOSFET的PWM控制器[6],它的工作电压范围宽8～35 V、内含5.1 V基准电源、死区时间可调、振荡器工作频率范围宽100 Hz～400 kHz、双路输出,是目前比较理想的控制器[7]。触发电路如图5所示,SG3525使用推挽输出的接法,13脚与15脚接VCC供电,12脚接地, 11脚与14脚输出两路互补的PWM波,死区时间由5脚、7脚共同决定,通过控制6脚电位器RW1的阻值和5脚电容C1的值改变两路输出脉冲的频率,改变RW2的值可改变脉宽,使触发电路输出两路相位相反,频率、脉宽连续可调,带死区的脉冲方波。

3.3 隔离驱动器件的选择

高频脉冲信号一般都是TTL 电平的数字量,其在高压工作条件下无法满足频率和占空比改变的需求[8]。为了减少干扰,保证控制电路的正常工作,两者之间有效的隔离至关重要。本系统选用光耦合器TLP250作为主要部件,其开关时间最大1.5 μs[9],隔离电压2.5 kV,频率最大25 kHz,使用隔离电源E0505模块为其供电,通过该隔离驱动器件实现了工作在2 kV高压状态下的主电路与工作在十几伏低压状态的控制电路之间的隔离,保证了整体电路工作的稳定性。

3.4 开关管的选择

实验采用了直流斩波方式,其开关管直接决定着脉冲电路的工作特性与高压脉冲电源输出的好坏,需要选用可靠性高的全控型开关器件,使其能在受干扰出现误导通时实现控制信号的关断[10]。由于全控开关器件中的GTO驱动电路复杂、开关速度低;IGBT器件虽然容量大、开关速度高,但不适用小电流小功率场合,且造价昂贵[11]。因此我们选用了价格适中、驱动电路简单并且具有很高的开关速度的MOSFET作为开关器件[12]。由于目前国内外还没有耐压值2 kV以上的MOSFET,通过使用两只开关管相串联的方式来满足其耐压需求。开关管的高频工作状态决定了它需选用一种可带散热片的封装形式,综合器件容量参数和工作状态最后选取了美国安森美半导体公司生产的NDUL03N150CG作为斩波电路的开关器件,其单个管子的最高工作电压1.5 kV,工作电流2.5 A,功耗50 W。

4 实验结果分析

对研制的高压脉冲电源系统进行了负载实验,将斩波电路的输出接在高阻值的阻性负载上,负载支路上的取样电阻两端能够得到最小脉宽40 μs、频率500 Hz～10 kHz可调的方波。因不同的测井方式需要的中子脉冲的频率与脉宽均不同[13],测试了几组典型的脉宽、频率下脉冲电源系统输出波形。图6的(a)、(b)、(c)分别为频率500 Hz、5 kHz、10 kHz时,直流高压输出2 kV、负载阻值为2 MΩ条件下测试负载支路上2 kΩ取样电阻的波形图。由图6可见,输出波形有较快的前后沿,稳定的高电平与低电平。由实验结果可知,本高压脉冲电源带入中子管时能够给离子源提供重复频率的脉冲高压供电,使中子管以所需频率的脉冲形式释放中子。

(a) 频率500 Hz时的波形; (b) 频率5 kHz时的波形; (c) 频率10 kHz时的波形。

5 结 语

本文以单端反激式逆变电路和半臂逆对称式倍压整流电路为基础研制了高压直流电源系统,并设计了斩波控制电路,实现了高压状态下的斩波功能。对系统进行了带负载实验,得到了不同脉宽与频率下的上升沿、下降沿较好的输出脉冲波形。实验结果表明本文研制的高压脉冲电源系统输出的脉冲波形频率与脉宽连续可调,性能良好,基本满足了中子测井技术对中子管离子源的需要,拓展了离子源在测井技术的应用范围。

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Research of the 2 kV high voltage pulse power supply for ion source in neutron tube

WULijuan,HOUBofeng,MENGDechua,YUGuiying

(College of Physics Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

The high voltage pulse power supply has been widely used in various scientific fields such as the electric field sterilization, the plasma generator, the laser technology, the neutron logging, etc. Among which, the pulsed neutron logging technology that belongs to the nuclear logging technique needs to use specific pulse and measuring temporal sequence. So a high voltage pulse power supply system which can be used in neutron logging technology was designed in this paper. A stable output DC high voltage power supply was synthesized by single-ended flyback inverter circuit and half-arm inverse symmetric voltage-multiplying rectifying circuit. The voltage resistance of MOSFET was solved by serial MOSFET. A chopper control circuit has been designed for chopping function at high pressure. The resistance load experiment is carried out with this system. The output pulse high voltage is 0～2 kV, with a frequency of 500 Hz～10 kHz which is continuous adjustable. The minimum pulse width of which is up to 40 μs. It verifies the feasibility of this plan after many experiments. In addition, this power supply has many advantages as low power consumption, small in size, low cost, etc. And it satisfies the power supply demand of logging neutron tube to ion source.

square wave pulse; high voltage power supply; neutron logging

2017-03-18。

辽宁省科技厅科学计划项目(20092069); 沈阳市科技计划项目(F14-231-1-37)。

吴丽娟(1964-),女,辽宁辽中人,沈阳师范大学教授,博士。

1673-5862(2017)03-0339-05

TN86

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.03.015