基于軟開關(guān)的電子輻照高壓電源

　　0 引言

　　在食品加工過程中采用電子輻照技術(shù)，可以改善食品的品質(zhì)，提高食品的安全性。加速管作為離子束加速器件，在電子輻照工程裝置中是關(guān)鍵設(shè)備。加速管的電子槍高壓電源電壓的高低可直接影響加速管的輻照計量。為了滿足不同輻照物體的輻照計量要求，需要電子槍高壓電源可以連續(xù)可調(diào)。同時，由于加速管處于脈沖工作狀態(tài)，且整個生物輻照工程裝置需要根據(jù)被輻照物的傳輸需要，處于長時間的待機(jī)狀態(tài)，要求高壓電源具有較好的空載特性。本文介紹一種實用化的具有良好特性的電子槍直流高壓電源的設(shè)計。

　　1 主要技術(shù)參數(shù)

　　電子槍直流高壓電源采用380V／50Hz三相四線輸入，最高輸出直流電壓為負(fù)極性70kV，電源長期運(yùn)行工作為-60kV左右，在滿足穩(wěn)定度要求條件下，輸出直流高壓電壓的連續(xù)可調(diào)范圍不小于-40~-70kV。

　　加速管電子槍的束流負(fù)載脈沖電流約為1A，脈沖寬度不大于5μs，在加速管脈沖束流負(fù)載條件下，輸出電壓穩(wěn)定度優(yōu)于0．3％。另外，電源要滿足兩種工作狀態(tài)，即加速管的正常使用工作方式和加速管電子槍的真空老煉的工作方式。

　　2 設(shè)計方案和工作原理

　　由于70kV直流高壓電源輸出要求穩(wěn)定度和動態(tài)響應(yīng)高，同時電源輸出高壓部分絕緣設(shè)備要求嚴(yán)格，為了減小電源的體積、減輕重量、降低損耗、提高效率，選用了高頻開關(guān)電源的設(shè)計方案?？紤]到此高壓電源的負(fù)載是阻抗在MΩ～kΩ之間變化的電子槍的電子束流，因此在束流引出時，在電源內(nèi)阻一定的情況下，為了保證電源的輸出電壓滿足負(fù)載的空滿載變化，保證輸出電壓穩(wěn)定度的較高要求，在電源的設(shè)計上采用了兩級功率處理電路。

　　整個電源的輸入前級采用了開關(guān)式的預(yù)穩(wěn)壓措施，后級采用了具有軟開關(guān)特性的橋式變換電路，整個電源的電路框圖如圖1所示。

　　2．1 BUCK預(yù)穩(wěn)電路

　　電子槍高壓直流電源要求具有寬范圍電壓輸出，采用一般的單級變換器占空比調(diào)節(jié)改變輸出的方式很難實現(xiàn)。為此，增加一級BUCK預(yù)穩(wěn)電路可以有效地實現(xiàn)輸出從零電壓調(diào)至額定的輸出。具體電路如圖2所示。

　　三相交流配電經(jīng)整流濾波電路之后，形成500V左右的直流電壓加在。BUCK預(yù)穩(wěn)電路的輸入端。其中K1為抑制合閘浪涌電壓而設(shè)置的，其二檔吸合信號由電源控顯電路給出。S2為BUCK功率開關(guān)管，其工作脈沖由PWM控制電路給出，為了保證電源具有足夠的動態(tài)特性，該功率開關(guān)管工作頻率為100kHz左右。PWM控制器輸出脈沖寬度，由電壓設(shè)定信號給出。當(dāng)電壓設(shè)定信號由0～10V變換時，PWM控制器輸出的脈沖占空比在0～0．85的范圍內(nèi)變化。L2為儲能電感，由于BUCK電路的占空比在0～0．85大范圍變化，為了保證電路起到預(yù)穩(wěn)作用，需要避免輸出電流斷續(xù)，同時不至于設(shè)計余量過大，采用了額定負(fù)載條件下的計算值，實際工作情況良好。

　　2．2 串聯(lián)諧振變換器

　　串聯(lián)諧振電路具有較好的抗短路特性，對待如真空電子管等由于真空度急劇下降而引起的“打火”故障的適應(yīng)能力較強(qiáng)；其整流器輸出無需加濾波電感，可以降低高壓整流硅堆的耐壓要求；諧振功率變換器的最大優(yōu)點是效率高、噪聲低。但在該電子槍高壓電源中，由于需要70kV之高的電壓，高頻開關(guān)變壓器的變比必定很大，變壓器副邊繞組的等效電容也明顯增大。變壓器的等效電容等分布參數(shù)將明顯影響變換器工作。如采用傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振變換器拓?fù)?，將使變換器的無功功率明顯增加。大的無功功率將給功率開關(guān)管和高頻開關(guān)變壓器帶來大的電流應(yīng)力，影響變換器的可靠工作。為此，考慮到70kV電子槍直流高壓電源的負(fù)載特性和工作狀態(tài)，采用了一種改進(jìn)的串聯(lián)諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，降低了分布參數(shù)對變換器的影響。圖3給出了改進(jìn)的串聯(lián)諧振變換器的電路圖。

　　改進(jìn)的串聯(lián)諧振變換電路具有電流、電壓限制的雙斜率輸出特性，電感L2、L3是諧振電感。C1為諧振電容。

　　電路的諧振槽路的電流波形和驅(qū)動信號波形如圖4所示，通過調(diào)節(jié)α角控制變換器的輸出功率。

　　圖4中最大的功率曲線(α=1)即對應(yīng)于變換器開環(huán)工作，圖4中停留在底部的曲線是對應(yīng)于輕載的情況。工作在歸一化的輸出電流I*o=0.15％且ψ=1時，結(jié)果產(chǎn)生大約30％的過壓。改進(jìn)變換器的輸出特性為雙斜率輸出特性，使電路提高了電壓、電流限制的固有能力，改善了高壓電源的空、滿載的適應(yīng)性，同時有利于高壓電源寬范圍的輸出調(diào)節(jié)。

　　L1、L4為緊耦合的電感(L3=L4)，箝位二極管D5到D8，不同于電感吸收電路，該電路著重解決電路的尖峰導(dǎo)通，可以將尖峰電流限制在大約Ist=Vindc/2(L3+M)之內(nèi)。因為采用了緊耦合電感(耦合因數(shù)k=0．95)，Ist近似等于Vindc/4*L3。雖然電感的引入增加了電路的元件數(shù)量和成本，但在輕載時可以明顯改變傳統(tǒng)電路的功率因數(shù)，限制傳統(tǒng)電路中固有的擾動尖峰電流。

　　整個變換器電路依然采用PFM的工作模式，當(dāng)前級預(yù)穩(wěn)電源輸出0～500V直流電壓時，變換器以固定的脈沖寬度驅(qū)動橋臂的功率開關(guān)管。為了保證電源在電子槍束流產(chǎn)生時能穩(wěn)定工作，設(shè)計了取樣閉環(huán)控制功能，當(dāng)輸出偏離電壓設(shè)定值時，變換器通過脈沖頻率調(diào)節(jié)得到穩(wěn)定的輸出，電子槍高壓電源實際工作頻率為3～25kHz。改進(jìn)后的串聯(lián)諧振變換器如圖5所示，變換器的實際工作電流波形如圖6所示。

　　2．3 高壓變壓器的設(shè)計

　　電源輸出電壓較高，高頻高壓變壓器的次級采用了多級倍壓電路的方式，以降低高頻開關(guān)變壓器的變比。但高壓變壓器仍然是高壓電源中關(guān)鍵的部件。高壓變壓器的設(shè)計重點是如何減少分布電容和保證高壓絕緣，基于上述考慮，初級繞組排列分布如下。

　　為了減少高壓繞組和低壓繞組之間的分布電容，確保高壓繞組和低壓繞組之間的絕緣，需要將原邊繞組繞制在矩形鐵心的一邊，副邊繞組繞制在矩形鐵心的另一邊，并留足原、副邊間的距離，最后用環(huán)氧樹脂灌注作為主絕緣。
　　為了減少高壓繞組的分布電容，需要采用副邊繞組分段繞制方法，由多個繞組串接而成。
　　為確保副邊繞組和鐵心間的高壓絕緣和次級繞組層間絕緣，均采用杜邦公司生產(chǎn)的聚芳纖維紙和環(huán)氧樹脂注料的復(fù)合介質(zhì)絕緣。

　　副邊繞組起端為低電位，離鐵心端空距離較小，而副邊繞組末端為高電位，需留足鐵心端的絕緣距離，最后用環(huán)氧樹脂灌注作絕緣。

　　繞組排列分布示意圖如圖7所示。

　　2．4 變換器控制電路和電源控顯電路

　　變換器控制電路主要為電源的兩路開關(guān)功率變換器提供控制信號和保護(hù)信號。其主要特點為，前級的BUCK預(yù)穩(wěn)變換電路需要的PWM脈寬，與后級串聯(lián)諧振變換的PFM的頻率相關(guān)，在同一個電壓設(shè)置信號基礎(chǔ)上生成各自的所需信號。這樣就保證了輸出電壓連續(xù)可調(diào)的要求，同時保證在額定負(fù)載工作條件下，兩級變換器都處于最佳的工程設(shè)計值，減少了變換器不應(yīng)有的電壓、電流應(yīng)力，有利于電源的穩(wěn)定工作。

　　在變換器的保護(hù)功能方面增加了一次過壓、二次過壓、變換器過流等故障檢測。當(dāng)一次過壓發(fā)生時電源處于間斷工作狀態(tài)，過壓故障消失后，電源自動恢復(fù)工作。當(dāng)二次過壓發(fā)生時，電源直接停止工作，鎖定故障狀態(tài)，給出故障指示，直到電源復(fù)位后重新開機(jī)方可正常工作。

　　電源控顯電路主要是完成整個電源的工作時序的控制、輸出電壓檢測指示以及高壓電源必要的人身安全性的保護(hù)措施。電路采用了單片機(jī)作為核心控制器件。通過高精度的A／D變換器將輸出電源取樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過四位數(shù)碼顯

　　示器作為本地指示。面板按鈕信號通過單片機(jī)控制的程序?qū)崿F(xiàn)本地的電源開、關(guān)機(jī)時序控制和本地的電源輸出電壓的設(shè)定。

　　3 結(jié)語

　　整個電源經(jīng)調(diào)試后目前已交付，與整個生物輻照工程裝置運(yùn)行使用。輸出電壓特性滿足了加速管的工作需求。

　　直流 70kV電子槍高壓電源因輸出電壓高、工作狀態(tài)多變等特點，對電路設(shè)計提出了較高的要求，除了選擇正確的電路形式和良好的控制方式以外。高壓輸出絕緣技術(shù)也是要求相當(dāng)苛刻的，鄭潔浪老師為此做了大量工作，這里特別表示感謝。