380kV10mA直流高压电源的研制

1380kV/10mA直流高压电源的研制何学飞1，杨建生1，刘嘉宾1，孙雪平2（1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111；2.北京中科信电子装备有限公司，北京101111）摘要：介绍了一种用于离子注入机的380kV直流高压电源的电路原理及实现方法。基于高压电源在电压变得越来越高时会由于电场分布不均匀等问题容易导致电源自身的放电打火等问题，提出了一种更为优化的高压倍压方案。关键词：高压；离子加速；对称倍压；均压环1.引言随着工业、航空、航天、军事等应用领域技术的不断发展，在离子注入机和离子加速器等一些半导体设备以及医用X光机、CT机、工业静电除尘器等一些设备中，经常要用到高压甚至超高压的直流大功率电源。由于高压电源其自身对于电气绝缘和工作环境方面具有较高的要求，传统的十千伏以上的高压电源多采用油浸或者电子绝缘灌封胶灌封的方式，即把高压电源的高压发生电路密封在油箱内或者灌封在一个表面为电子绝缘胶的模块之内，这样有助于解决高压绝缘的问题。但是由于通常系统对电源的体积、重量乃至自身材料都有较为严格的要求，使得以上两种方式在应用范围上受到较大的限制。且以上两种方式在灌封工艺方面的要求很高，否则容易在油箱或胶体中出现较多的气泡或气隙，从而带来高压绝缘隐患。此外，采用油浸或者灌胶的方式使得后期的维护极不方便，生产和维护成本均很高[1]。离子注入机高压电源由于其工作条件的特殊性，决定了电源在工作过程中经常要面对短路、打火等冲击，因而必须考虑其后期的可维护性。本文针对以上两种方法的缺点和弊端，研制了一种开放式的离子注入机高压电源，即高压单元全部采用开放式，裸露于空气中。为此，在研制过程中，通过为高压发生单元设置分布均匀的电场，使得高压电源高压发生单元能稳定、可靠地工作，避免了放电打火现象的发生，这种开放式的结构大大减轻了电源的自身重量，简化了工艺，提高了电源的可维护性，降低了电源的成本。2.高压电源电路组成高压电源电路组成如下：图1高压电源电路组成2三相市电经整流滤波给三相半桥逆变的主电路提供540伏左右的直流电压，V+为整流滤波的正端，V-为负端，C3和C4为两个相等的电容构成半桥逆变电路的一个桥臂，V1为IGBT模块作开关管构成另一桥臂，其中点A和B为输出端，即变压器的输入。在周期脉冲的作用下，V1、V2轮流导通，通过对电容C2、C1进行充放电，在变压器的初级得到21Vin的方波电压，该方波电压经变压器升压从次级输出并经过倍压电路在输出端得到380kV的直流高压输出。控制电路则通过电压和电流取样回路，对高压输出进行实时监控和调节。电压采样单元主要由高压电阻和高压电容组成，其作用是分别对输出的高压直流和交流分量进行取样。电流取样部分则是通过适当功率的精密电阻来检测流过电阻的电流，而达到检测整个直流高压电源的输出电流的目的。3.倍压单元设计3.1对称倍压电路[2]对称倍压整流电路相比较与普通倍压电路，其突出优点是整流输出电压纹波小，带载能力强，输出电压稳定。在本电源中，结合设备的实际高稳定度和低纹波的输出要求，决定采用对称倍压整流电路。图2为普通倍压整流电路原理图。具体工作原理不作赘述。图2普通倍压整流电路普通倍压电路其右柱（即下柱）在一个周期内仅在很短时间内获得电荷，而在差不多在一个周期的时间内流失电荷，其纹波系数为：014)1(vfcInnsd其中：n－倍压级数Id－输出电流f－工作频率c－倍压电容的容量v0－输出电压对称倍压整流电路如图3所示：图3对称倍压整流电路对称倍压整流电路有两个升压变压器或一个变压器两个升压线包，初级线包的首尾并接后3接到逆变器的输出A和B，次级线包首首相连接到高频高压整流硅堆的阳极（图中b点）上，而两个尾端分别接到边柱的滤波电容（图中的a、c点）上。右柱（中间柱）在每半周时间内获得电荷一次，而流失电荷时间不到半个周期，其纹波系数为：fcnIsd4因此对称倍压整流电路可以很明显地减小电源的纹波。3.2均压结构设计高压电源其自身对于电气绝缘和工作环境方面的较高要求，决定了本电源高压发生单元在全开放式结构下所必须具备的均匀电场的分布，以防止倍压整流电路每一级之间以及高压发生单元对空气之间的放电打火现象的发生。为此，在研制过程中，主要采用了以下措施进行设计，以达到尽量均匀电场同时缩小体积的目的。3.2.1空间封闭式结构设计根据高斯定理可知，在电荷均匀分布的的金属空心球体内部，任何一处的电场强度均为零。为此，我们在设计高压发生单元的结构时，考虑把其设计成空间立体柱状结构。其端面如图4所示：图4高压发生单元端面结构视图在外部均压环的包围下，整个高压发生单元的内部是由印制电路板组成的立体式结构空间，均压环和电路板之间通过导线连接，在外表面形成均匀的电场，在保证印制电路板之间、电子元器件之间不相互放电之外，也保证整个高压发生单元不对外界（如空气）放电。43.2.2均压环的设计由于高压发生单元整体体积较小，结构紧凑，每一个倍压级之间的距离非常有限，如果电场分布不够均匀，则极容易造成倍压级之间的爬电、打火等现象。同时由于终端输出电压在380kV的超高压状态，因而任何的尖端都可能导致对空气放电。为此，在为高压发生单元设计空间立体结构的同时，还采用了均压环技术，如图4中所示。均压环包围在高压发生单元的外表面，使得高压发生单元整体形成较为均匀的电场分布，有效防止了高压发生单元内部电路之间以及电路板或元件对空气的放电打火现象的发生。考虑到高压发生单元的自身重量要求，在设计中均压环采用直径为18mm的铝管设计。均压环除了要求有较轻的重量外，还要求有非常高的表面光洁度。同时根据高压发生单元电压等级的逐渐升高，对均压环的分布密度适当增加，以防止高压放电现象的发生。在均压环与高压发生单元的电路板之间用绝缘尼龙扎带进行固定，防止因均压环的滑落和歪斜而导致的电场分布不均。整个高压发生单元的实物效果图如图5所示：图5高压发生单元实物图图6高压发生单元测试实物图4.测试结果4.1测试条件及环境由于超高压电源对于环境的要求相对较高,因而本测试放在空气较为干燥的空调房间进行。具体实测空气条件及相关仪表为：温度：28℃；湿度：43％；高压测试仪：JTF-400型交直流分压器示波器型号：INSTEKGOS-6103C；5负载：40M纯阻性负载为避免电源高压输出端电晕放电现象的发生，在测试过程中我们在电源的高压发生单元顶部输出端辅以一个直径为800mm的表面光滑的铝帽以平衡高压端电场。具体实物图如图6所示：4.2测试结果功率开关管驱动波形如图7所示：图7驱动波形图并在其额定输出状态进行了主要电气性能指标的测试，测试结果如下：电网调整率：0.05％负载调整率：0.08％电压稳定度：0.07％纹波系数：0.05％保护功能：过压、过流、过载保护同时电源具备了重量轻、体积小、低储能、动态响应快的优良特性。本电源的成功研制最终解决了高能离子注入机大功率高压电源的问题，满足了系统对于部件的无油化设计要求，现已成功应用于国内高能离子注入机设备。5.结束语将该电源的设计思想应用于其他的电压等级的高压电源，彻底摒弃传统的油浸和灌胶的方式，将在很大程度上改变现有高压电源体积笨重、成本昂贵、维修麻烦的现状，极大促进高压电源向轻量化、小型化方向的发展。同时，虽然此电源主电路拓扑所采用的半桥电路结构简单，调试方便，但是变压器原边电流大，开关管损耗较大，如果在此电源基础上通过试验，将半桥硬开关电路改为全桥软开关电路，其输出功率和效率将会有显著的提高，可以推广应用于其它领域。参考文献[1]王吉信，田得露.20kV/2kW模块化高压电源研制.全国电源技术年会论文集2005,840～841.[2]杨建生.氧离子注入机大功率引出电源的研制.全国电子束·离子束·光子束学术年会论文集，长沙，2005：249～253.作者简介：何学飞(1981-):男,湖北人，工程师，研究方向为直流开关电源技术与电气控制技术等。杨建生(1956-):男,广西人，高级工程师，研究方向为直流高压电源技术与离子束技术等。刘嘉宾(1981-):男,湖南人，工程师，从事电子技术方面的研究与开发工作孙雪平(1964-):女,湖南人，高级工程师，从事电气控制与电力电子方面的研究与开发工作