380kV10mA直流高壓電源的研制剖析

1、380kV/10mA380kV/10mA 直流高壓電源的研制 何學(xué)飛 1 1 ,楊建生 1 1 , ,劉嘉賓 1 1 ,孫雪平 2 21 1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410111410111 ; ;2 2.北京中科信電子裝備，北京 101111101111,380kV ,、，摘要：介紹了一種用于離子注入機(jī)的直流高壓電源的電路原理及實(shí)現(xiàn)方法?；诟邏弘娫丛陔妷鹤兊迷絹?lái)越高時(shí)會(huì)由于電場(chǎng)分布不均勻等問(wèn)題容易導(dǎo)致電源自身 的放電打火等問(wèn)題，提出了一種更為優(yōu)化的高壓倍壓方案。關(guān)鍵詞：高壓；離子加速；對(duì)稱倍壓；均壓環(huán)1 1 . .引言隨著工業(yè)、航空、航天、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)的不斷開(kāi)

2、展，在離子注入機(jī)和XCT離子加速器等一些半導(dǎo)體設(shè)備以及醫(yī)用光機(jī)、機(jī)、工業(yè)靜電除塵器等一些設(shè)備中，經(jīng)常要用到高壓甚至超高壓的直流大功率電源。由于高壓電源其自身對(duì)于電氣 絕緣和工作環(huán)境方面具有較高的要求，傳統(tǒng)的十千伏以上的高壓電源多采用油浸或 者電子絕緣灌封膠灌封的方式，即把高壓電源的高壓發(fā)生電路密封在油箱內(nèi)或者灌 封在一個(gè)外表為電子絕緣膠的模塊之內(nèi)，這樣有助于解決高壓絕緣的問(wèn)題。但是由 于通常系統(tǒng)對(duì)電源的體積、重量乃至自身材料都有較為嚴(yán)格的要求，使得以上兩種 方式在應(yīng)用范圍上受到較大的限制。且以上兩種方式在灌封工藝方面的要求很高， 否那么容易在油箱或膠體中出現(xiàn)較多的氣泡或氣隙，從而帶來(lái)高壓絕緣隱

3、患。止匕外， 采用油浸或者灌膠的方式使得后期的維護(hù)極不方便，生產(chǎn)和維護(hù)本錢(qián)均很高10離子注入機(jī)高壓電源由于其工作條件的特殊性，決定了電源在工作過(guò)程中經(jīng)常要面對(duì)短路、打火等沖擊，因而必須考慮其后期的可維護(hù)性。本文針對(duì)以上兩種方法的缺點(diǎn)和弊 端，研制了一種開(kāi)放式的離子注入機(jī)高壓電源，即高壓?jiǎn)卧坎捎瞄_(kāi)放式，裸露于空氣中。為此，在研制過(guò)程中，通過(guò)為高壓發(fā)生單元設(shè)置分布均勻的電場(chǎng)，使得高壓電源高壓發(fā)生單元 能穩(wěn)定、可靠地工作， 防止了放電打火現(xiàn)象的發(fā)生， 這種開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)大大減輕了電源的自身 重量， 簡(jiǎn)化了工藝，提高了電源的可維護(hù)性，降低了電源的本錢(qián)。2 2 . .高壓電源電路組成r1t?-士11高

4、壓電源電路組成如下:圖 1 1 高壓電源電路組成三相市電經(jīng)整流濾波給三相半橋逆變的主電路提供540540 伏左右的直流電壓，V+V+為整流濾波的正端，V-V-為負(fù)端，C3C3 和 C4C4 為兩個(gè)相等的電容構(gòu)成半 橋逆變電路的一個(gè)橋臂，V1V1 為 IGBTIGBT 模塊作開(kāi)關(guān)管構(gòu)成另一橋臂，其中點(diǎn) A A 和B為輸出端，即變壓器的輸入。在周期脈沖的作用下，V V 1 1、V V 2 2 輪流導(dǎo)通，通過(guò)對(duì)電I容 C2C2、C1C1 進(jìn)行充放電，在變壓器的初級(jí)得到2VinVin 的方波電壓，該方波電壓經(jīng)變壓器升壓從次級(jí)輸出并經(jīng)過(guò)倍壓電路在輸出端得到380kV380kV 的直流高壓輸出。控制電路那

5、么通過(guò)電壓和電流取樣回路，對(duì)高壓輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。 電壓采樣單元主要由高壓電阻和高壓 電容組成，其作用是分別對(duì)輸出的高壓直流和交流分量進(jìn)行取樣。電流取樣局部那么是通過(guò)適當(dāng)功率的精密電阻 來(lái)檢測(cè)流過(guò)電阻的電流，而到達(dá)檢測(cè)整個(gè)直流高壓電源的輸出電流的目的。3 3 .倍壓?jiǎn)卧O(shè)計(jì)、23.13.1 對(duì)稱倍壓電路對(duì)稱倍壓整流電路相比擬與普通倍壓電路，其突出優(yōu)點(diǎn)是整流輸出電壓紋波小，帶載能力強(qiáng)，輸出電壓穩(wěn)定。在本電源中，結(jié)合設(shè)備的實(shí)際高穩(wěn)定度和低紋波的輸出要求，決定采用對(duì)稱倍 壓整流電路。圖 2 2 為普通倍壓整流電路原理圖。具體工作原理不作贅述沖配中路圖 2 2 普通倍壓整流電路普通倍壓電路其右柱

6、即下柱在一個(gè)周期內(nèi)僅在很短時(shí)間內(nèi)獲得電荷，而在差不多在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)流失電荷，其紋波系數(shù)為：其中：n n倍壓級(jí)數(shù) I Id輸出電流 f f 工作頻率 c c倍壓電容的容量 v v0輸出電壓對(duì)稱倍壓整流電路如圖 3 3 所示：圖 3 3 對(duì)稱倍壓整流電路對(duì)稱倍壓整流電路有兩個(gè)升壓變壓器或一個(gè)變壓器兩個(gè)升壓線包，初級(jí)線包的首尾并接后接到逆變器的輸出 A A 和 B,B,次級(jí)線包首首相連接到高頻 高壓整流硅堆的陽(yáng)極圖中 b b 點(diǎn)上，而兩個(gè)尾端分別接到邊柱的濾波電容圖 中的 a a、c c 點(diǎn)上。右柱中間柱在每半周時(shí)間內(nèi)獲得電荷一次，而流失電荷時(shí) 問(wèn)不到半個(gè)周期，其紋波系數(shù)為：%S =4/c因此對(duì)

7、稱倍壓整流電路可以很明顯地減小電源的紋波。3.23.2 均壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高壓電源其自身對(duì)于電氣絕緣和工作環(huán)境方面的較高要求，決定了本電源高壓發(fā)生單元在全開(kāi)放式結(jié)構(gòu)下所必須具備的均勻電場(chǎng)的分布，以防止倍壓整流電路每一級(jí)之間以及高壓發(fā)生單元對(duì)空氣之間的放電打火現(xiàn)象的發(fā)生。為此，在研制過(guò)程中，主要采用了以下措施進(jìn)行 設(shè)計(jì)，以到達(dá)盡量均勻電場(chǎng)同時(shí)縮小體積的目的。3.2.13.2.1 空間封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)高斯定理可知，在電荷均勻分布的的金屬空心球體內(nèi)部，任何一處的電場(chǎng)強(qiáng)度均 為零。為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)高壓發(fā)生單元的結(jié)構(gòu)時(shí)，考慮把其設(shè)計(jì)成空間立體柱狀結(jié)構(gòu)。其端面 如圖4所示：圖 4 4 高壓發(fā)生單元端面結(jié)構(gòu)視圖

8、在外部均壓環(huán)的包圍下，整個(gè)高壓發(fā)生單元的內(nèi)部是由印制電路板組成的立體式結(jié)構(gòu) 空間，均壓環(huán)和電路板之間通過(guò)導(dǎo)線連接，在外外表形成均勻的電場(chǎng)，在保證印制電路板之 間、電子元器件之間不相互放電之外，也保證整個(gè)高壓發(fā)生單元不對(duì)外界如空氣放電。3.2.23.2.2 均壓環(huán)的設(shè)計(jì)由于高壓發(fā)生單元整體體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，每一個(gè)倍壓級(jí)之間的距離非常有限， 如果電場(chǎng)分布不夠均勻，那么極容易造成倍壓級(jí)之間的爬電、打火等現(xiàn)象。同時(shí)由于 終端輸出電壓在380kV380kV 的超高壓狀態(tài)，因而任何的尖端都可能導(dǎo)致對(duì)空氣放電。 為此，在為高壓發(fā)生單元設(shè)計(jì)空間立體結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還采用了均壓環(huán)技術(shù)，如圖 中所示。均壓環(huán)包圍在高

9、壓發(fā)生單元的外外表，使得高壓發(fā)生單元整體形成較為均 勻的電場(chǎng)分布，有效防止了高壓發(fā)生單元內(nèi)部電路之間以及電路板或元件對(duì)空氣的 放電打火現(xiàn)象的發(fā)生?？紤]到高壓發(fā)生單元的自身重量要求,在設(shè)計(jì)中均壓環(huán)采用直徑為18mm18mm 勺鋁管設(shè)計(jì)。均壓環(huán)除了要求有較輕的重量外，還要求有非常高的外表光潔度。同時(shí)根據(jù)高 壓發(fā)生單元電壓等級(jí)的逐漸升高，對(duì)均壓環(huán)的分布密度適當(dāng)增加，以防止高壓放電 現(xiàn)象的發(fā)生。在均壓環(huán)與高壓發(fā)生單元的電路板之間用絕緣尼龍?jiān)鷰нM(jìn)行固定，防 止因均壓環(huán)的滑落和歪斜而導(dǎo)致的電場(chǎng)分布不均。整個(gè)高壓發(fā)生單元的實(shí)物效果圖如圖 5 5 所示：圖 5 5 高壓發(fā)生單元實(shí)物圖圖 6 6 高壓發(fā)生單元測(cè)

10、試實(shí)物圖4 4 . .測(cè)試結(jié)果4.14.1 測(cè)試條件及環(huán)境由于超高壓電源對(duì)于環(huán)境的要求相對(duì)較高，因而本測(cè)試放在空氣較為枯燥的空調(diào)房 間進(jìn)行。具體實(shí)測(cè)空氣條件及相關(guān)儀表為：溫度：28C28C； 濕度：43%;43%;均壓壞電路板，匏緣連接桿高壓測(cè)試儀：JTF-400JTF-400 型交直流分壓器 示波器型號(hào)：INSTEKINSTEK GOS-6103GOS-6103 C C負(fù)載：40M40M 純阻性負(fù)載為防止電源高壓輸出端電暈放電現(xiàn)象的發(fā)生，在測(cè)試過(guò)程中我們?cè)陔娫吹母邏喊l(fā)生單元頂部輸出端輔以一個(gè)直徑為 800mm800mm 勺外表光滑的鋁帽以平衡高壓端電場(chǎng)。具體 實(shí)物圖如圖 6 6 所示：4.2

11、4.2 測(cè)試結(jié)果 功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形如圖 7 7 所示:圖 7 7 驅(qū)動(dòng)波形圖 并在其額定輸出狀態(tài)進(jìn)行了主要電氣性能指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：電網(wǎng)調(diào)整率：0.05%0.05%負(fù)載調(diào)整率：0.08%0.08%電壓穩(wěn)定度：0.0. 0707 % %紋波系數(shù)：0.05%0.05%保護(hù)功能：過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)載保護(hù)同時(shí)電源具備了重量輕、體積小、低儲(chǔ)能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)良特性。本電源的成功 研制最終解決了高能離子注入機(jī)大功率高壓電源的問(wèn)題，滿足了系統(tǒng)對(duì)于部件的無(wú) 油化設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高能離子注入機(jī)設(shè)備。5 5 . .結(jié)束語(yǔ)將該電源的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于其他的電壓等級(jí)的高壓電源，徹底摒棄傳統(tǒng)的油浸和灌 膠

12、的方式，將在很大程度上改變現(xiàn)有高壓電源體積笨重、本錢(qián)昂貴、維修麻煩的現(xiàn) 狀，極大促進(jìn)高壓電源向輕量化、小型化方向的開(kāi)展。同時(shí)，雖然此電源主電路拓 撲所采用的半橋電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，但是變壓器原邊電流大，開(kāi)關(guān)管損耗較 大，如果在此電源根底上通過(guò)試驗(yàn)，將半橋硬開(kāi)關(guān)電路改為全橋軟開(kāi)關(guān)電路，其輸 出功率和效率將會(huì)有顯著的提高，可以推廣應(yīng)用于其它領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)11王吉信，田得露.20kV/2kW.20kV/2kW 模塊化高壓電源研制.全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集 2005,8402005,840841.841.22楊建生. .氧離子注入機(jī)大功率引出電源的研制. .全國(guó)電子束離子束光子束學(xué) 術(shù)年會(huì)論文集，長(zhǎng)沙，2005:2005: 249249253.253.作者