基于软开关的电子辐照高压电源设计

引言

在食品加工过程中采用电子辐照技术，可以改善食品的品质，提高食品的安全性。加速管作为离子束加速器件，在电子辐照工程装置中是关键设备。为了满足不同辐照物体的辐照计量要求，需要电子枪高压电源可以连续可调。同时，由于加速管处于脉冲工作状态，且整个生物辐照工程装置需要根据被辐照物的传输需要，处于长时间的待机状态，要求高压电源具有较好的空载特性。本文介绍一种实用化的具有良好特性的电子枪直流高压电源的设计。

1 主要技术参数

电子枪直流高压电源采用380V/50Hz三相四线输入，最高输出直流电压为负极性70kV，电源长期运行工作为-60kV左右，在满足稳定度要求条件下，输出直流高压电压的连续可调范围不小于-40~-70kV。

加速管电子枪的束流负载脉冲电流约为1A，脉冲宽度不大于5μs，在加速管脉冲束流负载条件下，输出电压稳定度优于0.3%。另外，电源要满足两种工作状态，即加速管的正常使用工作方式和加速管电子枪的真空老炼的工作方式。

2 设计方案和工作原理

由于70kV直流高压电源输出要求稳定度和动态响应高，同时电源输出高压部分绝缘设备要求严格，为了减小电源的体积、减轻重量、降低损耗、提高效率，选用了高频开关电源的设计方案。考虑到此高压电源的负载是阻抗在MΩ～kΩ之间变化的电子枪的电子束流，因此在束流引出时，在电源内阻一定的情况下，为了保证电源的输出电压满足负载的空满载变化，保证输出电压稳定度的较高要求，在电源的设计上采用了两级功率处理电路。

整个电源的输入前级采用了开关式的预稳压措施，后级采用了具有软开关特性的桥式变换电路，整个电源的电路框图如图1所示。

电子枪高压直流电源要求具有宽范围电压输出，采用一般的单级变换器占空比调节改变输出的方式很难实现。为此，增加一级BUCK预稳电路可以有效地实现输出从零电压调至额定的输出。具体电路如图2所示。

三相交流配电经整流滤波电路之后，形成500V左右的直流电压加在。BUCK预稳电路的输入端。其中K1为抑制合闸浪涌电压而设置的，其二档吸合信号由电源控显电路给出。S2为BUCK功率开关管，其工作脉冲由PWM控制电路给出，为了保证电源具有足够的动态特性，该功率开关管工作频率为100kHz左右。PWM控制器输出脉冲宽度，由电压设定信号给出。当电压设定信号由0～10V变换时，PWM控制器输出的脉冲占空比在0～0.85的范围内变化。L2为储能电感，由于BUCK电路的占空比在0～0.85大范围变化，为了保证电路起到预稳作用，需要避免输出电流断续，同时不至于设计余量过大，采用了额定负载条件下的计算值，实际工作情况良好。

2.2 串联谐振变换器

串联谐振电路具有较好的抗短路特性，对待如真空电子管等由于真空度急剧下降而引起的“打火”故障的适应能力较强;其整流器输出无需加滤波电感，可以降低高压整流硅堆的耐压要求;谐振功率变换器的最大优点是效率高、噪声低。但在该电子枪高压电源中，由于需要70kV之高的电压，高频开关变压器的变比必定很大，变压器副边绕组的等效电容也明显增大。变压器的等效电容等分布参数将明显影响变换器工作。如采用传统的串联谐振变换器拓扑，将使变换器的无功功率明显增加。大的无功功率将给功率开关管和高频开关变压器带来大的电流应力，影响变换器的可靠工作。为此，考虑到70kV电子枪直流高压电源的负载特性和工作状态，采用了一种改进的串联谐振变换器拓扑结构电路，降低了分布参数对变换器的影响。图3给出了改进的串联谐振变换器的电路图。
 

改进的串联谐振变换电路具有电流、电压限制的双斜率输出特性，电感L2、L3是谐振电感。C1为谐振电容。

电路的谐振槽路的电流波形和驱动信号波形如图4所示，通过调节α角控制变换器的输出功率。

图4中最大的功率曲线(α=1)即对应于变换器开环工作，图4中停留在底部的曲线是对应于轻载的情况。工作在归一化的输出电流I*o=0.15%且ψ=1时，结果产生大约30%的过压。改进变换器的输出特性为双斜率输出特性，使电路提高了电压、电流限制的固有能力，改善了高压电源的空、满载的适应性，同时有利于高压电源宽范围的输出调节。

L1、L4为紧耦合的电感(L3=L4)，箝位二极管D5到D8，不同于电感吸收电路，该电路着重解决电路的尖峰导通，可以将尖峰电流限制在大约Ist=Vindc/2(L3+M)之内。因为采用了紧耦合电感(耦合因数k=0.95)，Ist近似等于Vindc/4*L3。虽然电感的引入增加了电路的元件数量和成本，但在轻载时可以明显改变传统电路的功率因数，限制传统电路中固有的扰动尖峰电流。

整个变换器电路依然采用PFM的工作模式，当前级预稳电源输出0～500V直流电压时，变换器以固定的脉冲宽度驱动桥臂的功率开关管。为了保证电源在电子枪束流产生时能稳定工作，设计了取样闭环控制功能，当输出偏离电压设定值时，变换器通过脉冲频率调节得到稳定的输出，电子枪高压电源实际工作频率为3～25kHz。改进后的串联谐振变换器如图5所示，变换器的实际工作电流波形如图6所示。

2.3 高压变压器的设计

电源输出电压较高，高频高压变压器的次级采用了多级倍压电路的方式，以降低高频开关变压器的变比。但高压变压器仍然是高压电源中关键的部件。高压变压器的设计重点是如何减少分布电容和保证高压绝缘，基于上述考虑，初级绕组排列分布如下。

为了减少高压绕组和低压绕组之间的分布电容，确保高压绕组和低压绕组之间的绝缘，需要将原边绕组绕制在矩形铁心的一边，副边绕组绕制在矩形铁心的另一边，并留足原、副边间的距离，最后用环氧树脂灌注作为主绝缘。

为了减少高压绕组的分布电容，需要采用副边绕组分段绕制方法，由多个绕组串接而成。

为确保副边绕组和铁心间的高压绝缘和次级绕组层间绝缘，均采用杜邦公司生产的聚芳纤维纸和环氧树脂注料的复合介质绝缘。

副边绕组起端为低电位，离铁心端空距离较小，而副边绕组末端为高电位，需留足铁心端的绝缘距离，最后用环氧树脂灌注作绝缘。

绕组排列分布示意图如图7所示。

2.4 变换器控制电路和电源控显电路

变换器控制电路主要为电源的两路开关功率变换器提供控制信号和保护信号。其主要特点为，前级的BUCK预稳变换电路需要的PWM脉宽，与后级串联谐振变换的PFM的频率相关，在同一个电压设置信号基础上生成各自的所需信号。这样就保证了输出电压连续可调的要求，同时保证在额定负载工作条件下，两级变换器都处于最佳的工程设计值，减少了变换器不应有的电压、电流应力，有利于电源的稳定工作。

在变换器的保护功能方面增加了一次过压、二次过压、变换器过流等故障检测。当一次过压发生时电源处于间断工作状态，过压故障消失后，电源自动恢复工作。当二次过压发生时，电源直接停止工作，锁定故障状态，给出故障指示，直到电源复位后重新开机方可正常工作。

电源控显电路主要是完成整个电源的工作时序的控制、输出电压检测指示以及高压电源必要的人身安全性的保护措施。电路采用了单片机作为核心控制器件。通过高精度的A/D变换器将输出电源取样信号转换成数字量，通过四位数码显示器作为本地指示。面板按钮信号通过单片机控制的程序实现本地的电源开、关机时序控制和本地的电源输出电压的设定。

3 结语

整个电源经调试后目前已交付，与整个生物辐照工程装置运行使用。输出电压特性满足了加速管的工作需求。