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。



2.1 BUCK预稳电路

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