中心議題：

• 基於軟開關的電子輻照高壓電源設計

解決方案：

• 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

zaishipinjiagongguochengzhongcaiyongdianzifuzhaojishu，keyigaishanshipindepinzhi，tigaoshipindeanquanxing。jiasuguanzuoweilizishujiasuqijian
，zaidianzifuzhaogongchengzhuangzhizhongshiguanjianshebei。weilemanzubutongfuzhaowutidefuzhaojiliangyaoqiu，xuyaodianziqianggaoyadianyuankeyilianxuketiao。tongshi，youyujiasuguanchuyumaichonggongzuozhuangtai，qiezhenggeshengwufuzhaogongchengzhuangzhixuyaogenjubeifuzhaowudechuanshuxuyao，chuyuchangshijiandedaijizhuangtai，yaoqiugaoyadianyuanjuyoujiaohaodekongzaitexing。benwenjieshaoyizhongshiyonghuadejuyoulianghaotexingdedianziqiangzhiliugaoyadianyuandesheji。

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範圍不小於-40~-70kV。

加速管電子槍的束流負載脈衝電流約為1A，脈衝寬度不大於5μs，在加速管脈衝束流負載條件下，輸出電壓穩定度優於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

由於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(zhi)間(jian)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)子(zi)槍(qiang)的(de)電(dian)子(zi)束(shu)流(liu)，因(yin)此(ci)在(zai)束(shu)流(liu)引(yin)出(chu)時(shi)，在(zai)電(dian)源(yuan)內(nei)阻(zu)一(yi)定(ding)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)滿(man)足(zu)負(fu)載(zai)的(de)空(kong)滿(man)載(zai)變(bian)化(hua)，保(bao)證(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)度(du)的(de)較(jiao)高(gao)要(yao)求(qiu)，在(zai)電(dian)源(yuan)的(de)設(she)計(ji)上(shang)采(cai)用(yong)了(le)兩(liang)級(ji)功(gong)率(lv)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)。

整個電源的輸入前級采用了開關式的預穩壓措施，後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。

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2.1 BUCK預穩電路

電子槍高壓直流電源要求具有寬範圍電壓輸出
，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後，形成500V左右的直流電壓加在。BUCK預穩電路的輸入端。其中K1為抑製合閘浪湧電壓而設置的，其二檔吸合信號由電源控顯電路給出。S2為BUCK功率開關管，其工作脈衝由PWM控製電路給出，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控製器輸出脈衝寬度，由電壓設定信號給出。當電壓設定信號由0～10V變換時，PWM控製器輸出的脈衝占空比在0～0.85的範圍內變化。L2為儲能電感，由於BUCK電路的占空比在0～0.85大(da)範(fan)圍(wei)變(bian)化(hua)
，為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)電(dian)路(lu)起(qi)到(dao)預(yu)穩(wen)作(zuo)用(yong)
，需(xu)要(yao)避(bi)免(mian)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)斷(duan)續(xu)

，同(tong)時(shi)不(bu)至(zhi)於(yu)設(she)計(ji)餘(yu)量(liang)過(guo)大(da)，采(cai)用(yong)了(le)額(e)定(ding)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)的(de)計(ji)算(suan)值(zhi)，實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)情(qing)況(kuang)良(liang)好(hao)。

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於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
，可以降低高壓整流矽堆的耐壓要求;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，由於需要70kVzhigaodedianya，gaopinkaiguanbianyaqidebianbibidinghenda
，bianyaqifubianraozudedengxiaodianrongyemingxianzengda。bianyaqidedengxiaodianrongdengfenbucanshujiangmingxianyingxiangbianhuanqigongzuo。rucaiyongchuantongdechuanlianxiezhenbianhuanqituopu，jiangshibianhuanqidewugonggonglvmingxianzengjia。dadewugonggonglvjianggeigonglvkaiguanguanhegaopinkaiguanbianyaqidailaidadedianliuyingli，yingxiangbianhuanqidekekaogongzuo。weici，kaolvdao70kV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、電壓限製的雙斜率輸出特性
，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角控製變換器的輸出功率。
圖4中最大的功率曲線(α=1)即對應於變換器開環工作，圖4中停留在底部的曲線是對應於輕載的情況。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、電流限製的固有能力，改善了高壓電源的空、滿載的適應性
，同時有利於高壓電源寬範圍的輸出調節。

L1
、L4為緊耦合的電感(L3=L4)，箝位二極管D5到D8
，不同於電感吸收電路
，該電路著重解決電路的尖峰導通，可以將尖峰電流限製在大約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近似等於Vindc/4*L3。雖(sui)然(ran)電(dian)感(gan)的(de)引(yin)入(ru)增(zeng)加(jia)了(le)電(dian)路(lu)的(de)元(yuan)件(jian)數(shu)量(liang)和(he)成(cheng)本(ben)，但(dan)在(zai)輕(qing)載(zai)時(shi)可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)改(gai)變(bian)傳(chuan)統(tong)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)，限(xian)製(zhi)傳(chuan)統(tong)電(dian)路(lu)中(zhong)固(gu)有(you)的(de)擾(rao)動(dong)尖(jian)峰(feng)電(dian)流(liu)。
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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(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)時(shi)，變(bian)換(huan)器(qi)以(yi)固(gu)定(ding)的(de)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)驅(qu)動(dong)橋(qiao)臂(bi)的(de)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)管(guan)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)電(dian)源(yuan)在(zai)電(dian)子(zi)槍(qiang)束(shu)流(liu)產(chan)生(sheng)時(shi)能(neng)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)，設(she)計(ji)了(le)取(qu)樣(yang)閉(bi)環(huan)控(kong)製(zhi)功(gong)能(neng)
，當(dang)輸(shu)出(chu)偏(pian)離(li)電(dian)壓(ya)設(she)定(ding)值(zhi)時(shi)，變(bian)換(huan)器(qi)通(tong)過(guo)脈(mai)衝(chong)頻(pin)率(lv)調(tiao)節(jie)得(de)到(dao)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)，電(dian)子(zi)槍(qiang)高(gao)壓(ya)電(dian)源(yuan)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)為(wei)3～25kHz。改進後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。 2.3 高壓變壓器的設計

dianyuanshuchudianyajiaogao，gaopingaoyabianyaqidecijicaiyongleduojibeiyadianludefangshi，yijiangdigaopinkaiguanbianyaqidebianbi。dangaoyabianyaqirengranshigaoyadianyuanzhongguanjiandebujian。gaoyabianyaqideshejizhongdianshiruhejianshaofenbudianronghebaozhenggaoyajueyuan
，jiyushangshukaolv，chujiraozupailiefenburuxia。

weilejianshaogaoyaraozuhediyaraozuzhijiandefenbudianrong，quebaogaoyaraozuhediyaraozuzhijiandejueyuan
，xuyaojiangyuanbianraozuraozhizaijuxingtiexindeyibian，fubianraozuraozhizaijuxingtiexindelingyibian，bingliuzuyuan

、副邊間的距離，最後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製方法
，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複合介質絕緣。
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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，最後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 變換器控製電路和電源控顯電路

變換器控製電路主要為電源的兩路開關功率變換器提供控製信號和保護信號。其主要特點為，前級的BUCK預穩變換電路需要的PWM脈寬

，與後級串聯諧振變換的PFM的de頻pin率lv相xiang關guan，在zai同tong一yi個ge電dian壓ya設she置zhi信xin號hao基ji礎chu上shang生sheng成cheng各ge自zi的de所suo需xu信xin號hao。這zhe樣yang就jiu保bao證zheng了le輸shu出chu電dian壓ya連lian續xu可ke調tiao的de要yao求qiu，同tong時shi保bao證zheng在zai額e定ding負fu載zai工gong作zuo條tiao件jian下xia
，兩liang級ji變bian換huan器qi都dou處chu於yu最zui佳jia的de工gong程cheng設she計ji值zhi
，減jian少shao了le變bian換huan器qi不bu應ying有you的de電dian壓ya、電流應力，有利於電源的穩定工作。

在變換器的保護功能方麵增加了一次過壓、二次過壓、變bian換huan器qi過guo流liu等deng故gu障zhang檢jian測ce。當dang一yi次ci過guo壓ya發fa生sheng時shi電dian源yuan處chu於yu間jian斷duan工gong作zuo狀zhuang態tai，過guo壓ya故gu障zhang消xiao失shi後hou
，電dian源yuan自zi動dong恢hui複fu工gong作zuo。當dang二er次ci過guo壓ya發fa生sheng時shi
，電dian源yuan直zhi接jie停ting止zhi工gong作zuo，鎖suo定ding故gu障zhang狀zhuang態tai，給gei出chu故gu障zhang指zhi示shi，直zhi到dao電dian源yuan複fu位wei後hou重zhong新xin開kai機ji方fang可ke正zheng常chang工gong作zuo。

電源控顯電路主要是完成整個電源的工作時序的控製、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製器件。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。麵板按鈕信號通過單片機控製的程序實現本地的電源開
、關機時序控製和本地的電源輸出電壓的設定。

3 結語

整個電源經調試後目前已交付
，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。