基于軟開關的電子輻照高壓電源設計

引言

　　在食品加工過程中采用電子輻照技術，可以改善食品的品質，提高食品的安全性。加速管作為離子束加速器件，在電子輻照工程裝置中是關鍵設備。為了滿足不同輻照物體的輻照計量要求，需要電子槍高壓電源可以連續可調。同時，由于加速管處于脈沖工作狀態，且整個生物輻照工程裝置需要根據被輻照物的傳輸需要，處于長時間的待機狀態，要求高壓電源具有較好的空載特性。本文介紹一種實用化的具有良好特性的電子槍直流高壓電源的設計。

　　1 主要技術參數

　　電子槍直流高壓電源采用380V/50Hz三相四線輸入，最高輸出直流電壓為負極性70kV，電源長期運行工作為-60kV左右，在滿足穩定度要求條件下，輸出直流高壓電壓的連續可調范圍不小于-40~-70kV。

　　加速管電子槍的束流負載脈沖電流約為1A，脈沖寬度不大于5μs，在加速管脈沖束流負載條件下，輸出電壓穩定度優于0.3%。另外，電源要滿足兩種工作狀態，即加速管的正常使用工作方式和加速管電子槍的真空老煉的工作方式。

　　2 設計方案和工作原理

　　由于70kV直流高壓電源輸出要求穩定度和動態響應高，同時電源輸出高壓部分絕緣設備要求嚴格，為了減小電源的體積、減輕重量、降低損耗、提高效率，選用了高頻開關電源的設計方案。考慮到此高壓電源的負載是阻抗在MΩ～kΩ之間變化的電子槍的電子束流，因此在束流引出時，在電源內阻一定的情況下，為了保證電源的輸出電壓滿足負載的空滿載變化，保證輸出電壓穩定度的較高要求，在電源的設計上采用了兩級功率處理電路。

　　整個電源的輸入前級采用了開關式的預穩壓措施，后級采用了具有軟開關特性的橋式變換電路，整個電源的電路框圖如圖1所示。

　　2.1 BUCK預穩電路

　　電子槍高壓直流電源要求具有寬范圍電壓輸出，采用一般的單級變換器占空比調節改變輸出的方式很難實現。為此，增加一級BUCK預穩電路可以有效地實現輸出從零電壓調至額定的輸出。具體電路如圖2所示。

　　三相交流配電經整流濾波電路之后，形成500V左右的直流電壓加在。BUCK預穩電路的輸入端。其中K1為抑制合閘浪涌電壓而設置的，其二檔吸合信號由電源控顯電路給出。S2為BUCK功率開關管，其工作脈沖由PWM控制電路給出，為了保證電源具有足夠的動態特性，該功率開關管工作頻率為100kHz左右。PWM控制器輸出脈沖寬度，由電壓設定信號給出。當電壓設定信號由0～10V變換時，PWM控制器輸出的脈沖占空比在0～0.85的范圍內變化。L2為儲能電感，由于BUCK電路的占空比在0～0.85大范圍變化，為了保證電路起到預穩作用，需要避免輸出電流斷續，同時不至于設計余量過大，采用了額定負載條件下的計算值，實際工作情況良好。

　　2.2 串聯諧振變換器

　　串聯諧振電路具有較好的抗短路特性，對待如真空電子管等由于真空度急劇下降而引起的“打火”故障的適應能力較強;其整流器輸出無需加濾波電感，可以降低高壓整流硅堆的耐壓要求;諧振功率變換器的最大優點是效率高、噪聲低。但在該電子槍高壓電源中，由于需要70kV之高的電壓，高頻開關變壓器的變比必定很大，變壓器副邊繞組的等效電容也明顯增大。變壓器的等效電容等分布參數將明顯影響變換器工作。如采用傳統的串聯諧振變換器拓撲，將使變換器的無功功率明顯增加。大的無功功率將給功率開關管和高頻開關變壓器帶來大的電流應力，影響變換器的可靠工作。為此，考慮到70kV電子槍直流高壓電源的負載特性和工作狀態，采用了一種改進的串聯諧振變換器拓撲結構電路，降低了分布參數對變換器的影響。圖3給出了改進的串聯諧振變換器的電路圖。