- 基于軟開關的電子輻照高壓電源設計
- 采用電子槍直流高壓電源電路
- 采用改進的串聯諧振變換器電路
- 采用高壓變壓器的設計
引言
在食品加工過程中采用電子輻照技術，可以改善食品的品質，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鍵設備。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可調。同時，由于加速管處于脈沖工作狀態，且整個生物輻照工程裝置需要根據被輻照物的傳輸需要，處于長時間的待機狀態，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計。
1 主要技術參數
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極性70kV，電源長期運行工作為-60kV左右，在滿足穩定度要求條件下，輸出直流高壓電壓的連續可調范圍不小于-40~-70kV。
加速管電子槍的束流負載脈沖電流約為1A，脈沖寬度不大于5μs，在加速管脈沖束流負載條件下，輸出電壓穩定度優于0.3%。另外，電源要滿足兩種工作狀態，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 設計方案和工作原理
由于70kV直流高壓電源輸出要求穩定度和動態響應高，同時電源輸出高壓部分絕緣設備要求嚴格，為了減小電源的體積、減輕重量、降低損耗、提高效率，選用了高頻開關電源的設計方案。考慮到此高壓電源的負載是阻抗在MΩ～kΩ之間變化的電子槍的電子束流，因此在束流引出時，在電源內阻一定的情況下，為了保證電源的輸出電壓滿足負載的空滿載變化，保證輸出電壓穩定度的較高要求，在電源的設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式的預穩壓措施，后級采用了具有軟開關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預穩電路
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節改變輸出的方式很難實現。為此，增加一級BUCK預穩電路可以有效地實現輸出從零電壓調至額定的輸出。具體電路如圖2所示。
三相交流配電經整流濾波電路之后，形成500V左右的直流電壓加在。BUCK預穩電路的輸入端。其中K1為抑制合閘浪涌電壓而設置的，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特性，該功率開關管工作頻率為100kHz左右。PWM控制器輸出脈沖寬度，由電壓設定信號給出。當電壓設定信號由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穩作用，需要避免輸出電流斷續，同時不至于設計余量過大，采用了額定負載條件下的計算值，實際工作情況良好。
2.2 串聯諧振變換器
串聯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”故障的適應能力較強;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將明顯影響變換器工作。如采用傳統的串聯諧振變換器拓撲，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管和高頻開關變壓器帶來大的電流應力，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載特性和工作狀態，采用了一種改進的串聯諧振變換器拓撲結構電路，降低了分布參數對變換器的影響。圖3給出了改進的串聯諧振變換器的電路圖。
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改進的串聯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動信號波形如圖4所示，通過調節α角控制變換器的輸出功率。
圖4中最大的功率曲線(α=1)即對應于變換器開環工作，圖4中停留在底部的曲線是對應于輕載的情況。工作在歸一化的輸出電流I*o=0.15%且ψ=1時，結果產生大約30%的過壓。改進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、滿載的適應性，同時有利于高壓電源寬范圍的輸出調節。
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通，可以將尖峰電流限制在大約Ist=Vindc/2(L3+M)之內。因為采用了緊耦合電感(耦合因數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量和成本，但在輕載時可以明顯改變傳統電路的功率因數，限制傳統電路中固有的擾動尖峰電流。
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整個變換器電路依然采用PFM的工作模式，當前級預穩電源輸出0～500V直流電壓時，變換器以固定的脈沖寬度驅動橋臂的功率開關管。為了保證電源在電子槍束流產生時能穩定工作，設計了取樣閉環控制功能，當輸出偏離電壓設定值時，變換器通過脈沖頻率調節得到穩定的輸出，電子槍高壓電源實際工作頻率為3～25kHz。改進后的串聯諧振變換器如圖5所示，變換器的實際工作電流波形如圖6所示。
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，以降低高頻開關變壓器的變比。但高壓變壓器仍然是高壓電源中關鍵的部件。高壓變壓器的設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的聚芳纖維紙和環氧樹脂注料的復合介質絕緣。
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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功率變換器提供控制信號和保護信號。其主要特點為，前級的BUCK預穩變換電路需要的PWM脈寬，與后級串聯諧振變換的PFM的頻率相關，在同一個電壓設置信號基礎上生成各自的所需信號。這樣就保證了輸出電壓連續可調的要求，同時保證在額定負載工作條件下，兩級變換器都處于最佳的工程設計值，減少了變換器不應有的電壓、電流應力，有利于電源的穩定工作。
在變換器的保護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。當一次過壓發生時電源處于間斷工作狀態，過壓故障消失后，電源自動恢復工作。當二次過壓發生時，電源直接停止工作，鎖定故障狀態，給出故障指示，直到電源復位后重新開機方可正常工作。
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措施。電路采用了單片機作為核心控制器件。通過高精度的A/D變換器將輸出電源取樣信號轉換成數字量，通過四位數碼顯示器作為本地指示。面板按鈕信號通過單片機控制的程序實現本地的電源開、關機時序控制和本地的電源輸出電壓的設定。
3 結語
整個電源經調試后目前已交付，與整個生物輻照工程裝置運行使用。輸出電壓特性滿足了加速管的工作需求。
