200kV高压开关电源研制_周长庚

第23卷第3期强激光与粒子束Vol.23,No.3 2011年3月H IGH POWE R LASE R AND PARTICLE BEAMS M ar.,2011　文章编号:　1001-4322(2011)03-0761-04200kV高压开关电源研制＊周长庚,　李　彦,　娄本超,　伍春雷,　胡永宏(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900) 摘　要:　采用软开关电源技术和叠层式倍压器方法,研制成一台200kV高压发生器,介绍了其工作原理和结构。

高压开关电源主要由功率变换器、中频升压变压器和高压倍压器组成。

其主要技术指标为:高压200kV,输出电流10mA,工作频率20kH z,电压稳定度1%,纹波系数2%,连续工作时间为8h。

测试结果表明,该高压开关电源的性能指标达了设计要求。

关键词:　功率变换;　倍压;　高压;　中频;　连续工作时间 中图分类号:　T L503.5 文献标志码:　A doi:10.3788/HP LP B20112303.0761 200kV以上的高压电源是氘离子加速器的关键设备之一。

与线形高压电源相比,高压开关电源(也称高压发生器)[1-3],采用中频逆变技术,具有体积小、重量轻、稳定度高等特点。

但目前国内许多科研单位研制生产的高压开关电源主要应用于医疗设备、高压材料和设备的绝缘性能检测等领域,工作连续时间一般不超过1 h,由于工作频率只有7kH z左右,整体体积偏大,满负载运行时噪音较大[4-6],不适合在专用氘离子加速器方面的应用和发展。

为此,我们采用软开关电源技术和叠层式倍压器方法,研制成一台200kV高压发生器,采用空气绝缘,其高压部分不必放置在绝缘油内,维修方便。

1　高压开关电源的原理和结构 如图1所示,高压开关电源主要由功率变换器、中频升压变压器和高压倍压器组成。

高压开关电源工作过程为:AC/DC电路把交流220V电压转换成直流电压,功率变换器中的桥式开关电路将直流电压变换成幅值约为220V的中频脉冲电压信号,中频变压器把脉冲电压转换成正弦波,并将正弦波峰值升至9kV,经过中频高压整流、中频滤波和12级倍压,形成大于200kV直流高压,当加满负载时,保证输出电压为200kV。

Fig.1　Principle block diagram of200kV high voltage switch pow er supply图1　200kV高压开关电源原理方框图2　功率变换器 功率变换器是高压开关电源关键部件。

如图2所示,功率变换器是由整流器、滤波器、过流保护电路、全桥开关、取样电路、电源控制器和驱动器等组成。

其工作原理是:交流220V电压经整流、滤波后形成+220V和-220V的直流电压,通过过流保护电路加到全桥开关。

电源控制器产生的脉冲调制信号通过驱动器控制全桥开关的导通和截止,从而输出幅度约为220V的中频脉冲功率信号。

图3为全桥开关电路原理图。

电源控制器采用UC3875开关电源移相PWM控制集成电路。

对IGBT开关管S1～S4组成的全桥开关电路进行移相控制,S1,S3为超前臂,S2,S4为滞后臂。

借助开关管的输出电容C1～C4充放电,在输出电容放电结束(电压为0V)的状态下完成开关管零电压导通,功率损耗最小,这就是软开关过程。

软开关过程使整个高压开关电＊收稿日期:2010-06-21; 修订日期:2010-11-11基金项目:中国工程物理研究院预研基金项目作者简介:周长庚(1956—),男,博士,研究员,从事核技术及应用研究;zh ou changg@。

源的可靠性大大增强。

相位控制的特点体现在UC3875的OA ,OB ,OC ,OD 四个输出端口,它们通过分别驱动由IGBT 开关管S 1～S 4的导通和截止。

S 1与S 3,S 2与S 4之间都能进行死区时间的调节控制,在该死区时间内,确保S 3截止到S 1导通,S 4截止到S 2导通的时间间隔内,与S 1和S 2相并联的输出电容C 1,C 2放电完毕,为即将导通的开关管提供零电压开通条件。

Fig .2　Circuit fram e draw ing for the pow er convertor图2　功率变换器电路方框图Fig .3　Circuit diag ram of bridge s witches图3　全桥开关电路原理图 以开关管S 3截止到开关管S 1开始导通为例,死区时间Δt 1必须满足Δt 1≥2C 1V 0I p (1)Fig .4　M easu red dead time 图4　实际测量到的死区时间式中:C 1为开关管S 1输出电容,F ;V 0为直流电压,V ;I p 为开关管S 1,S 4导通时流过两管的最大电流。

从图4中看到,用存储示波器测量到的死区时间Δt 1(设计为几百ns )。

在电路中通过设置直流电源电压、主变压器原边漏感与外加谐振电感之和、中频高压变压器原副边匝数比、副边滤波电感折算到原边电感量、脉冲驱动变压器、开关管的输出电容C 1～C 4电容值来确定死区时间。

这是一项关键技术,需要细致地选择元件,考虑分布参数的影响,并对主要电路和中频高压变压器经过反复实验和调整以达到最佳。

功率变换器的主要技术指标为:输出电压200V ,输出电流2A ,脉冲频率20kHz 。

由于分布参数的影响,滞后臂S 2,S 4难以实现零电压导通。

由L 2,C 5,C 6,D 5,D 6组成的滞后臂辅助谐振网络增加了电路的存能和放能效率,可以顺利实现滞后臂S 2,S 4零电压导通[7-8]。

图4中V m 为输出波形的电压值,t 为时间。

3　高压倍压器 高压倍压器电路主要由中频高压变压器T 和12级层叠式倍压模块等组成。

每级产生幅值约9kV 的高压。

以图5所示的2级倍压为例说明高压倍压电路的工作过程。

762强激光与粒子束第23卷Fig .5　Circuit diagram of high voltage m ultiplier图5　高压倍压器电路原理图 当高压变压器T 的次级处在中频正弦波的正半周时,整流硅堆D 1～D 2导通,辅助电容C 3被充电到交流电压的幅值V i ,当变压器次级处在中频正弦波的负半周时,主电容C 1经D 3～D 4充电到2V i ,同理,主电容C 2经D 7～D 8充电到4V i 。

依次类推得到V 0=2NV i -8N 3+9N 2+N )12I f C (2)式中:V 0为平均输出电压;I 为负载电流;f 是变压器次级输出脉冲频率;C 为等效电容,其值与C 1,C 2,C 3和C 4相同,为0.033μF 。

利用式(2)求得12级倍压电路的平均输出电压(即直流电压)V 12为V 12=24V i -1432Q /C (3)式中:Q 为最高一级主电容流经负载的电荷。

由于高压倍压器采用空气绝缘,必须解决级间耐压和尖端放电问题。

采取的措施是:(1)合理选择中频高压电容器和高压硅堆;(2)增大元件间距;(3)每级设置均压环;(4)最大限度消除尖端和毛刺,在接头处用高压硅胶封填。

在高压取样器中,取样电压分成两路,一路反馈到电源控制器的输入端,形成闭环控制。

即来自高压取样器的电压取样信号经过缓冲器反馈到电源控制器,电源控制器根据信号的变化调整脉冲移相电路,使输出高压稳定。

另一路形成过流保护。

如果回路有过流产生,过流保护电路中的电流传感器产生高电平使电源控制器无信号输出,电源得到有效保护。

电流取样信号通过电源控制器保证高压电源输出电流稳定。

中频高压变压器的设计、选材和绕制工艺非常重要。

如果其中频响应不好,将导致不能产生所需要的高压。

设计的主要参数为:频率20kH z ;变压器初级线圈电压,脉冲峰-峰值440V ;变压器次级线圈电压,脉冲峰-峰值18kV ;变压器输出电流100mA 。

初级漏电感小于75μH 。

材料选取:磁芯为铁氧体圆柱形中频磁芯;次级线圈耐压20kV ;绝缘层材料为聚四氟乙烯薄膜,每层耐压10kV 。

图6为变压器测试电路,其中U A 为交流调压器输出电压峰值,U B 为变换器脉冲电压幅值,U C 为变压器输出交流电压峰值。

测得指标如表1所示。

Fig .6　Block diag ram for test circuit of high voltage transformer图6　高压变压器测试电路方框图 在倍压电路中设置了中频滤波器,减少了变压器输出波形严重失真现象,从图7中可看到,加入中频滤波后的变压器输出波形形态较好,输出电压稳定。

研制成功的200kV 高压开关电源主要技术指标如表2所示。

Fig .7　Output waveform of high voltage tran sfo rm er with filtering inductance 图7　加滤波电感时的变压器输出波形表1　高压变压器测试指标T able 1　Test indices of high voltage transformerU A /VU B /V U C /V 02010020991980502564760703596600100520950015077214600195104020000表2　高压开关电源主要技术指标Table 2　Primary technical indices of high voltage switch power supplyv oltage /kVv oltag e stability /%ripple co efficient /%o utput po we r /kW weig ht /kg dimensio n 5～20012200090 40mm ×2000mm763第3期周长庚等:200kV 高压开关电源研制764强激光与粒子束第23卷4　结　论 高压开关电源特点主要体现:(1)试制成功性价比高的中频高压变压器,实现了中频整流滤波,减少了高压开关电源的体积和重量;(2)采用12级叠层式倍压器,每层能单独拆装,形成积木式结构。

并在每级间采取均压、防振、补偿电感等措施,解决了耐压、尖端放电问题;(3)采用大气绝缘,进一步减小了体积和重量;(4)采用软开关技术,使开关管功耗降低、可靠性增加,连续工作时间可达8h。

但是,高压开关电源在实际使用中还存在放电(打火)现象,主要原因是各层电路元件连接处毛刺还没有清除干净,引起尖端放电,需要提高整体工艺水平。

另外高压锻炼时间不充分,也是打火原因之一。

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