200kV高压开关电源研制

连续工作时间
Ａ
中图分类号： ２００
文献标志码：
ｄｏｉ：ｌＯ．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０３．０７６１
ｋＶ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≈］，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７ ｋＨｚ左右，整体体积偏大，满负载运行时噪音较大［４｛］，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２００ ｋＶ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。
Ｄ３～Ｄ４充电到２ Ｖ；，同理，主电容Ｃ：经Ｄ，～Ｄ。充电到４ Ｖ；。
依次类推得到
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式中：Ｋ为平均输出电压；Ｊ为负载电流；，是变压器次级输 出脉冲频率；Ｃ为等效电容，其值与Ｃ。，Ｃ２，Ｃ。和Ｃ。相同，为 Ｏ．０３３肛Ｆ。利用式（２）求得１２级倍压电路的平均输出电压 （即直流电压）Ｋ。为
桥开关的导通和截止，从而输出幅度约为２２０ Ｖ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Ｓ。～ｓ４组成的全桥开关电路进行移 相控制，Ｓ，，Ｓ。为超前臂，Ｓｚ，Ｓａ为滞后臂。借助开关管的输出电容Ｃ。～Ｃ４充放电，在输出电容放电结束（电压
［１］戴晓明，李振国．新型高压开关电源的研制［Ｊ］．原子能科学技术，２０００，３４（２）：１２５—１２７．（Ｄａｉ Ｘｉａｏｍｉｎｇ，Ｌｉ Ｚｈｅｎｇｕｏ．Ｄｅｖｅｌｏ．ｐｍ“ｔ ｏｆ
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图ｌ
２００
ｋＶ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２２０ Ｖ电压经整流、滤波后形成＋２２０ Ｖ和
一２２０
Ｖ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
ｘｉｏｎｇｃｈｕｎ，Ｌｉｕ
［３］冷雄春。刘百芬。赵晓霞．基于ＳＧ３５２５的新型高压开关电源的研制［Ｊ］．华东交通大学学报，２００７，２４（１）；２０一２５．（Ｌｅｎｇ
Ｂａｉｆｅｎ，Ｚｈａｏ Ｘｉａｏｘｉａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｕｎｆｗ＂如ｙ，２００７，２４（１）：２０一２５）
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第２３卷第３期
２０１１年３月
文章编号：
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ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ
Ｍａｒ．。２０１１
１００１—４３２２（２０１１）０３一０７６ｌ—０４
２００
ｋＶ高压开关电源研制。
李 彦， 娄本超， 伍春雷， 胡永宏
周长庚，
（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２００ ｋＶ高压发生器，介绍了其工作原理
高压整流、中频滤波和１２级倍压，形成大于２００ ｋＶ直流高压，当加满负载时，保证输出电压为２００
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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２００ ｋＶ高压开关电源主要技术指标如表２所示。
表ｌ
Ｔａｂｌｅ ｌ
高压变压器测试指标
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图３全桥开关电路原理图
以开关管Ｓ。截止到开关管Ｓ。开始导通为例，死区时间＆。必须满足
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式中：Ｃ，为开关管Ｓ－输出电容，Ｆ；Ｕ为直流电压，Ｖ；Ｌ为开 关管Ｓ，，Ｓ。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位。（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。～ｃ４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２００ Ｖ，输出电流２ Ａ，脉冲频率２０
为ｏ Ｖ）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：２０１０一０６—２１；
修订日期：２０１０一１１—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（１９５６一），男，博士，研究员．从事核技术及应用研究；ｚｈｏｕｃｈａｎｇｇ＠１６３．ｃｏｍ。
ｙ１２＝２４ｙｉ一１ ４３２Ｑ／Ｃ （３） 图５高压倍压器电路原理图
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２０ ｋＨｚ；变压器初级线圈电压，脉冲峰一峰值４４０ Ｖ；变压器次级线圈电压，脉冲 峰一峰值１８ ｋＶ；变压器输出电流１００ ｍＡ。初级漏电感小于７５肚Ｈ。材料选取：磁芯为铁氧体圆柱形中频磁
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图ｚ功率变换器电路方框图
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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８ ｈ。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。 参考文献：
万方数据
强
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与
粒
子
束
第２３卷
源的可靠性大大增强。相位控制的特点体现在ＵＣ３８７５的ＯＡ，ＯＢ，０Ｃ，０Ｄ四个输出端口，它们通过分别驱 动由ＩＧＢＴ开关管Ｓ。～Ｓ。的导通和截止。Ｓ。与Ｓ。，Ｓ２与Ｓ４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。截止到Ｓｌ导通，Ｓ。截止到Ｓ２导通的时间间隔内，与Ｓ。和Ｓ：相并联的输出电容Ｃ。，Ｃ。放电完 毕，为即将导通的开关管提供零电压开通条件。
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［４］张文利，彭燕昌．孙广平，等．高压开关电源的研制［Ｊ］．高电压技术，２００２，２８（１１）：６０一６５．（ｚｈａｎｇ ｗｅｎｌｉ，Ｐｅｎｇ Ｙａｎｃ｝ｌａｎｇ，ｓｕｎ
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：ＡＣຫໍສະໝຸດ BaiduＤＣ电路把交流２２０ Ｖ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２２０ Ｖ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９ ｋＶ，经过中频
芯；次级线圈耐压２０ ｋＶ；绝缘层材料为聚四氟乙烯薄膜，每层耐压１０ ｋＶ。
图６为变压器测试电路，其中ＵＡ为交流调压器输出电压峰值，Ｌ，ｅ为变换器脉冲电压幅值，Ｕｃ为变压器 输出交流电压峰值。测得指标如表１所示。 广———————＿１ 以广————＿１
仉广———————————————１
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ｘｕｄｏｎｇ
ｅｔ
［２］钟和清，徐至新，邹旭东，等．软开关高压开关电源研究［Ｊ］．高电压技术，２００３，２９（８）：２３—２５．（ｚｈｏｎｇ Ｈｅｑｉｎｇ，ｘｕ ｚｈｉｘｉｎ，Ｚ０ｕ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ、ｒｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ
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ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｗｉｔｈ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ
图７加滤波电感时的变压器输出波形 表２高压开关电源主要技术指标
Ｔａｂｌｅ ２
Ｐｒｉｍｒｙ
ｔ∞ｈｎｉ豫ｌ
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圈４实际测量到的死区时间
由于分布参数的影响，滞后臂Ｓ：，ｓ４难以实现零电压导通。由Ｌｚ，Ｃ。，Ｃｅ，Ｄ。，Ｄ。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。，Ｓ。零电压导通‘７’８１。图４中Ｋ为输出波形的电
压值，￡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９ ｋＶ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。
万方数据
第３期
周长庚等：２００ ｋＶ高压开关电源研制
Ｃ２
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７６３
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，～Ｄ：导通，辅助电容ｃ３被充电到交流电压的幅值 Ｖ。，当变压器次级处在中频正弦波的负半周时，主电容Ｃ。经Ｄ７
ｎ曲ｖｏ姆ｍ出脚
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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２００
ｋＶ。输出电流１０ ｍＡ，工作频率２０ ｋＨｚ，电压稳定度１％，纹波系数２％，连续工作时间为８ ｈ。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；
ＴＬ５０３．５
高压；
中频；