380kV10mA直流高压电源的研制剖析

1、380kV/10mA380kV/10mA 直流高压电源的研制 何学飞 1 1 ,杨建生 1 1 , ,刘嘉宾 1 1 ,孙雪平 2 21 1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南 长沙 410111410111 ; ;2 2.北京中科信电子装备，北京 101111101111,380kV ,、，摘要：介绍了一种用于离子注入机的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 1 . .引言随着工业、航空、航天、军事等应用领域技术的不断开

2、展，在离子注入机和XCT离子加速器等一些半导体设备以及医用光机、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 封在一个外表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， 否那么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

3、患。止匕外， 采用油浸或者灌胶的方式使得后期的维护极不方便，生产和维护本钱均很高10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， 防止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，降低了电源的本钱。2 2 . .高压电源电路组成r1t?-士11高

4、压电源电路组成如下:图 1 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540540 伏左右的直流电压，V+V+为整流滤波的正端，V-V-为负端，C3C3 和 C4C4 为两个相等的电容构成半 桥逆变电路的一个桥臂，V1V1 为 IGBTIGBT 模块作开关管构成另一桥臂，其中点 A A 和B为输出端，即变压器的输入。在周期脉冲的作用下，V V 1 1、V V 2 2 轮流导通，通过对电I容 C2C2、C1C1 进行充放电，在变压器的初级得到2VinVin 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380kV380kV 的直流高压输出。控制电路那

5、么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。电流取样局部那么是通过适当功率的精密电阻 来检测流过电阻的电流，而到达检测整个直流高压电源的输出电流的目的。3 3 .倍压单元设计、23.13.1 对称倍压电路对称倍压整流电路相比拟与普通倍压电路，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 2 为普通倍压整流电路原理图。具体工作原理不作赘述冲配中路图 2 2 普通倍压整流电路普通倍压电路其右柱

6、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 n倍压级数 I Id输出电流 f f 工作频率 c c倍压电容的容量 v v0输出电压对称倍压整流电路如图 3 3 所示：图 3 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 A 和 B,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 b 点上，而两个尾端分别接到边柱的滤波电容图 中的 a a、c 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 问不到半个周期，其纹波系数为：%S =4/c因此对

7、称倍压整流电路可以很明显地减小电源的纹波。3.23.2 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，以到达尽量均匀电场同时缩小体积的目的。3.2.13.2.1 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 4 高压发生单元端面结构视图

8、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，在外外表形成均匀的电场，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。3.2.23.2.2 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，那么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380kV380kV 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 中所示。均压环包围在高

9、压发生单元的外外表，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18mm18mm 勺铝管设计。均压环除了要求有较轻的重量外，还要求有非常高的外表光洁度。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 5 所示：图 5 5 高压发生单元实物图图 6 6 高压发生单元测

10、试实物图4 4 . .测试结果4.14.1 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枯燥的空调房 间进行。具体实测空气条件及相关仪表为：温度：28C28C； 湿度：43%;43%;均压坏电路板，匏缘连接杆高压测试仪：JTF-400JTF-400 型交直流分压器 示波器型号：INSTEKINSTEK GOS-6103GOS-6103 C C负载：40M40M 纯阻性负载为防止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 800mm800mm 勺外表光滑的铝帽以平衡高压端电场。具体 实物图如图 6 6 所示：4.2

11、4.2 测试结果 功率开关管驱动波形如图 7 7 所示:图 7 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%0.05%负载调整率：0.08%0.08%电压稳定度：0.0. 0707 % %纹波系数：0.05%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 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

12、的方式，将在很大程度上改变现有高压电源体积笨重、本钱昂贵、维修麻烦的现 状，极大促进高压电源向轻量化、小型化方向的开展。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，如果在此电源根底上通过试验，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11王吉信，田得露.20kV/2kW.20kV/2kW 模块化高压电源研制.全国电源技术年会论文集 2005,8402005,840841.841.22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，2005:2005: 249249253.253.作者