系統(tǒng)工作過程如下：由控制系統(tǒng)控制可調(diào)直流高壓電源給儲能電容器充電，當充電電壓達到設定值后，再控制IGBT按照設定的頻率和脈沖寬度導通，產(chǎn)生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊，最后由高壓脈沖變壓器升壓，產(chǎn)生所需的高壓脈沖加在負載上。

2 高壓脈沖變壓器設計
    依據(jù)指標要求，高壓脈沖變壓器的主要參數(shù)如下：變比設計為1：4；次級電壓為5 kV；初級電壓為1．25 kV；最大脈沖寬度為20μs；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數(shù)為λ。
   
式中，N為匝數(shù)；U為電壓；T為時間(脈沖寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應強度，Bs為飽和磁感應強度)；A為磁芯截面積；S為磁芯填充系數(shù)。
    將U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T，A為0．005 6 m2，可求出原邊N為3，由于變比是1：4，所以次變匝數(shù)為12。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復位，復位電路原理圖如圖2所示。

    圖2中，V1為低壓直流電源，R1為限流電阻。由V1通過R1提供一個直流電流給單匝復位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時，單匝線圈A上會感應較高的電壓，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對低壓直流電源V1進行保護。

3 IGBT選取及驅動電路設計
    由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A，原邊電壓為1．25 kV。IGBT的額定電流應大于400 A，額定電壓應大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A。
    IGBT的觸發(fā)信號要求一個脈沖寬度在2～20μs可調(diào)，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調(diào)的方波信號，具備短路和過流保護功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其他元件組成。

4 可調(diào)直流高壓電源設計
    可調(diào)直流高壓電源由可控硅調(diào)壓器、高壓變壓器、整流橋、儲能電容器等幾部分組成。工作過程如下：交流220 V供給可控硅調(diào)壓模塊，經(jīng)過調(diào)壓模塊后輸出交流0～220 V，加在工頻升壓變壓器的初級，變壓器的次級輸出經(jīng)過全橋整流后，通過電感給儲能電容器充電?？刂普{(diào)壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達到設定值。
    當主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時，單脈沖的能量為10 J?？紤]到輸出脈沖的平頂，選取儲能電容器時，在其工作電壓值時的儲能為5倍單脈沖能量，即50 J。工作電壓為1．25 kV，可求出電容值為64μF。
    對于工頻高壓變壓器，需確定其輸出電壓和功率等主要參數(shù)。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量，而對電容器的充電時間必須小于5 ms，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW。考慮工頻高壓變壓器輸出電壓經(jīng)過全橋整流后，脈動頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz，所以實際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大于2 kW，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實際選取1．5 kV(峰值)。

5 控制系統(tǒng)設計
    控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。通過計算機控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量，用來控制調(diào)壓系統(tǒng)中 的可控硅調(diào)壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經(jīng)過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計算機采集。計算機控制DO卡(數(shù)字量輸出)輸出控制信號控制各類啟動開關和IGBT驅動板輸出觸發(fā)信號。各類手動面板的開關信號經(jīng)過DI卡(數(shù)字量輸入)，由計算機采集。[!--empirenews.page--]

6 實驗結果
    對系統(tǒng)各部分進行調(diào)試。用高壓探頭測試電壓波形，用羅果夫斯基線圈測試電流波形。測試的實驗波形如圖4、圖5和圖6所示。

    圖4中，縱坐標為電壓幅度值(2通道2 kV／格，4通道200 mV／格)。通道2為電壓波形，電壓約為5 kV，脈沖寬度為10μs，上升沿小于lμs。通道4為電流波形，電流值約85 A(波形圖中比例為l：500)。圖5中，脈沖周期為5 ms，重復頻率為200 Hz。圖6中，縱坐標為電壓幅度值(1通道5 kV／格，2通道2V／格)。l通道為放電電壓波形，2通道為放電電流波形。從波形圖中可以看出，脈沖當電壓加在氣體上時，大約經(jīng)過幾微秒時間后，氣體發(fā)生電離。此時由于分壓原因，電壓幅值略有下降，電流波形開始出現(xiàn)。在脈沖電壓加載期間，氣體維持了電離狀態(tài)。

7 結束語
    以可調(diào)直流高壓電源、高壓IGBT、高壓脈沖變壓器、工控計算機和數(shù)據(jù)采集控制卡為核心部件的5 kV重復頻率高壓脈沖電源，具備脈沖電壓、脈沖頻率和脈沖寬度等參數(shù)可以同時調(diào)節(jié)的特點，為開展其他指標的脈沖電源研制提供了一種可行的技術途徑。從測試結果來看，整個系統(tǒng)完全達到了指標要求，為開展毛細管放電x線激光的研究提供了必要的研究條件。