380kV10mA直流高压电源的研制01.docVIP

380kV/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 图1 高压电源电路组成 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， V 1、V 2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： 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： 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。 3.2.2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