赵卫东等 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 种用于ｘ射线测厚仪的高压直流电源 ＮａｔｕｒａＩ Ｓｃｉ ｅｎｃｅ 振逆变电路可以工作在软开关状态，具有开关损耗少、效率高等优点，已经在工程应用中得到广泛关注［４ 。 鉴于以上分析，在高压直流电源的研制过程中引入了谐振变换技术，电源的电压最高可以达到１２０ ｋＶ， 并且在调试过程中很少有高压打火击穿器件的现象发生，在一定程度上提高了电源的可靠性。 １基本串联谐振电路 基本串联谐振电路如图１所示，由谐振电感Ｌ 、谐振电容Ｃ 和电源 组成。设ｔ。时刻谐振电感的初 始电流为ｉＬｒ（￡。）一 。，谐振电容初始电压为 （￡。）－－Ｕｃ ｏ，不计电路损耗，从ｔｏ时刻开始，谐振电感和谐振 电容自由谐振工作，由图１可得 ｄｉ ｄｔ｜ｒ Ｌｒ ＋ 一ｕｓ，Ｃｒ－－ 一 ｒ。 （１） 解方程（１）得电感电流和电容电压随时间变化的函数 ｉＬ（ｔ）＝ＩＬ ＯＣＯＳ （ 一 ）＋—— — ｓｉｎ ｃｏｔ（ｔ－－ｔｏ） ， 厶Ｕｓ－－Ｕｃ ０ （２） 瓶姐器 一 一 高整滤 频流波 ＵＣ （ ）一Ｕ 一（Ｕ 一Ｕｃ ０）ＣＯＳ （ 一ｔｏ）＋Ｚ Ｌ０ ｓｉｎ （￡一ｔｏ）。 （３） 其中：叫 为谐振角频率， 一１／Ｌ，，／Ｌ－－￣ＣＮ。ｚ 为特征阻抗，ｚ 一￣／—Ｌ，／—Ｃｒ。 可以看出，谐振电感电流ｉＬ 和谐振电容电压ＵＣ 均为正弦 波，谐振频率厂 决定于谐振电感Ｌ 和谐振电容ｃ 的大小。当 ｉＬ （ 。）一 ＵＣ （ ｏ）一０时得到： ｎ （￡一 。）， 玉 （￡）一 Ｚｓｉ全谐式变 桥振逆器 ＝＝＝Ｈ＝＝Ｉ二二＝ 升变 压压 （４） 二＝＝工＝＝Ｈ二＝＝ 倍整 压流 （￡）一Ｕ ［－１－－ｃｏｓ （ｔ－－ｔ。）］。 （５） 图１ 串联谐振电路原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｉｅｓ—ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ 式（４）和式（５）表明，ｉＬ （￡）和 值时，另一个为零。 （ ）分别按正弦和余弦规律 变化，谐振电感和谐振电容所储的能量相互交换，一个达到最大 ２电源系统设计 电源结构如图２所示可分为两部分，第一部分实现高频ＡＣ／ＤＣ变换，第二部分实现高频ＤＣ／ＤＣ变换。 整 ＡＣ ３８０Ｖ 高 频 逆 变 ＤＣ 流 滤 波 １２ＯｋＶ 电压、电流取样 控制电路ｒ—－．１多路辅助电源 图２电源系统结构图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ２．１高频ＡＣ／ＤＣ变换单元 三相市电整流滤波后馈人高频逆变器，逆变器把直流电逆变成方波交流电，然后馈人升压变压器，变压 器变比为１：１．５，主要起到隔离作用，目的是减少来自后级“谐振变换部分”的高频干扰。变压器的输出接 到高频整流电路得到直流电压。 时间 二＝ 同时该部分还设置过流亭 达． ！？， 。 直． 过压保护，对输出电 。 Ｆｉ图３电源第一部分的原理图 ： 池ｇ 。。ｆ ｆ： ｇ．３ ｓ ｈ。ｍ 。ｆ ｐ。 。 ｐｐｌｙ 流、电压进行采样，反馈到控制系统，一旦出现过流 或过压，控制电路停止输出触发脉冲，关断逆变电路的开关，使输出为零并报警。 对该部分电路进行测试，测试负载取８０ Ｑ，取样电阻１．６ Ｑ，输出直流电压５００ Ｖ时，测试结果如图４所示，图中 波形１为取样后直流波形，波形２为纹波成份，约为 １ 。倍压整流输出电压纹波系数计算公式［ ］为 ，一Ｊ＿１、 一 Ｊ ×１００ 。 （６） 其中： 为输出电压纹波系数；ｆ为交流电压频率；Ｃ为电 容电量；Ｒ为负载阻抗； 为倍压级数，按１倍压粗略估 计，与实际测得基本符合。从式（６）可以得出，提高倍压 整流电路输入交流电的频率是降低直流电压纹波系数的 有效途径。 ２．２高频ＤＣ／ＤＣ变换单元 图４直流电压取样波形和纹波成分图 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ＤＣ—ｖｏｌｔａｇｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｒｉｐｐｌｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ 电源的第二部分主要由串联谐振变换器、高频高压 脉冲变压器和倍压整流电路构成，电路的拓扑结构如图 ５所示，图中 是前一单元的输出直流电压。通过设定 谐振变换器的谐振频率和开关频率，逆变得到准正弦波 电压，由高频高压脉冲变压器升压后接人倍压整流电路， 最终获得直流高压。 由前述分析可知，串联谐振变换器输出电压的谐波 成分少，减少了由于谐振引起的高压打火和击穿现象。 同时，开关工作在“软开关”的状态，开关损耗小、效率高。 此外，串联谐振电路有一个固有的特性阻抗，因此其抗短 路的性能非常好，这个性能对于高压系统是非常重要的， 目前高压开关电源普遍采用谐振变换方式。依据逆变器 图５ 电源第二部分的原理图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ 开关频率．厂 与谐振频率．厂 的关系，变换器有３种工作 ｆ ｆ 方式：①ｆ ＜ Ｊ ｒ，电流不连续工作模式（ＤＣＭ）；②百Ｊ ｒ＜ ｆ ＜＿厂 ，电流连续工作模式（ＣＣＭ）；③ｆ。＞ｆｒ，电流连续工作模式（ＣＣＭ）。本设计通过调整控制电路的触发 ， 脉冲频率，使得电路工作在等＜， ＜ 模式下。 谐振变换器各种工作模式下的谐振回路电流与电压的方程，相关文献已经作了详尽的分析，这里不再赘 述。 由文献［６］和文献［７］可知，一次谐振负载电容上的电压增量为 △Ｖ一４Ｖ０Ｃ ／ｃ ， （７） 赵卫东等 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 种用于Ｘ射线测厚仪的高压直流电源 ｌ￣ｌａｔｕｒａｌ Ｓｃｉ ｅｎｃｅ Ｃ 进而求得谐振电容Ｃ ，谐振电感Ｌ 为 ＣＩ—ｎＣｅ ｆ ｓｆ（４Ｖ ｆｔ ， Ｌ ：Ｖ／ｎｎ Ｃ △ｖｆ 。 ８ ■ 啊啊旧 （９） 打印钮 嘲圈 根据前述分析，由式（８）得谐振电容ＣＴ为０．３５ ｔＬＦ。 由式（９）计算谐振电感值Ｌ 为６０ Ｈ，包括变压器次 级折算到初级的漏感，如果变压器漏感比较大，可以省 、－■■－＿ 选择 文件夹 ＇ ；． 关于 储存 略谐振电感，直接利用漏感作为谐振电感。高频变压 器变比 为１：４０，故谐振频率约为３５ ｋＨｚ，控制开关 频率为１９ ｋＨｚ左右时，谐振变换器工作在ＣＣＭ模 式。实验测得谐振电流与触发脉冲波形如图６所示。 高频变压器初级最高峰值电压接近５００ Ｖ，变压 图６谐振电流和开关管驱动电压波形图 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｅｓ 器次级输出最高２０ ｋＶ，倍压整流电路倍压电容采用 ６ ｎＦ，高压硅堆反向耐压值为３５ ｋＶ，留有１５ ｋＶ的余量，经过６倍压整流后，空载可获得最 高１２０ ｋＶ直流电压 ］。为了提高耐压绝缘强 度和防止受潮，将高频变压器和倍压整流电路 整个升压部分放在一个装有变压器油的大油箱 中，油箱内同时还设置了取样电阻阵列，供测量 高压用，通过端子与外部连接，直流高压电通过 高压插头与外部连接，油箱实物如图７（ａ）所 示。 （ａ）变压器油箱 （ｂ）控制电路及辅助电源箱 ２．３控制电路和辅助电源 图７电源装置实物图 Ｆｉｇ．７ Ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ 系统控制电路由两部分组成，分别控制两 个逆变器，主要由ＳＧ３５２５，ＬＭ３５８，ＥＸＢ８４１ 及外围电路组成。 ＳＧ３５２５是一款功能齐全、通用性强的单片集成ＰＷＭ芯片，其主要功能包括基准电压产生电路、振荡 器、误差放大器、ＰＷＭ比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉式输出等。使用灵活方便，适用于中小 功率开关电源的驱动电路设计。使用该集成电路芯片构成的开关电源不但具有良好的性能，而且还具有外 围器件少，调试和安装简单等优点。 ＬＭ３５８内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单 电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电压无关。 ＥＸＢ８４１是日本富士公司提供的３００ Ａ／１ ２００ Ｖ快速型ＩＧＢＴ驱动专用模块，整个电路延迟时间不超 过１ ｓ，最高工作频率达４０￣５０ ｋＨｚ，它只需外部提供一个＋２Ｏ Ｖ单电源，内部产生一个一５ Ｖ反偏压，模 块采用高速光耦隔离，射极输出，有短路保护和慢速关断功能。ＥＸＢ８４１模块内部包括光电耦合器、运算放 大器、推挽电路、过流保护以及稳压管输出基准５ Ｖ电压等几部分。 辅助电源主要为控制系统和显示部分供电，由一个多抽头变压器将工频交流２２０ Ｖ电作多种降压变换， 经整流滤波以及７８１８、７８１５、７９１５、７８０５、７９０５三端集成稳压器后直接对各部分供电。可以提供＋１８ ｖ，±１５ Ｖ，±５ Ｖ三种多路电源，除去高频高压变压器和倍压整流电路外，电路其余部分以及控制电路和辅助电源 都放置在一个箱子内，如图７（ｂ）所示。 ３ 结论 在电源的设计中，考虑到将闭环取自终端高压输出可靠性与安全性都不高，尝试在低压侧实现闭环稳 压，并设过流、过压保护。同时，由于Ｘ射线测厚仪负载需要高电压小电流，故采用倍压整流器；采用谐振逆 ｌ山囊辩搜大掌 学手 自然科学叛 ９０ 第３２０１０１年６卷第３月 期 ＶＪｕＯｎＩ ３０ ＮＯ ３ ２Ｏ１１ 变电路，解决高压时频繁打火的问题；利用了ＣＣＭ模式下串联谐振逆电路具有恒流充电、软开关等突出优 点。由图６可以看出，当驱动信号上升沿到来时，正向谐振电流的值为零，实现了开关管的零电流开通。当 驱动信号的下降沿到来时，谐振电流也已基本过零，从而实现了开关管的零电流关断。高压直流电源系统组 装后，在实验室进行了相关数据的测试，为了模拟ｘ射线发射装置，在高压直流电源系统的输出侧接２５ ＭＱ 等效电阻负载，电源的容量在７００ ＶＡ左右，用高压探头测得电源最高输出电压可达到１２０ ｋＶ，效率在８Ｏ 左右，输出电压变化时，效率也变化。总的来说，电源的测试结果和理论分析基本相符合，但在提高电源输出 功率方面，还有待于进一步研究。 参考文献： Ｅ１］ＬＥＥ Ｓ Ｙ．Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ ｐｈｙｓｉｃｓ ｂａｓｅ［Ｍ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｆｕｄａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ，２００６． Ｅ２］冯德仁，郭宏，王相綦，等．方波馈电的高压倍压整流电路打火机理分析Ｉ－Ｊ］．电工电能新技术，２００８，２７（２）：６８—７０． ＦＥＮＧ Ｄｅｒｅｎ，ＧＵＯ Ｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｇｑｉ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｉｋｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ－ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｗｉｔｈ ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ，２００８，２７（２）：６８—７０． ［３］邵建设，尹建武，冯杰，等．谐振变换器中电流一开关频率特性［Ｊ］．高电压技术，２００９，３５（１）：１６３—１６７． ＳＨＡＯ Ｊｉａｎｓｈｅ，ＹＩＮ Ｊｉａｎｗｕ，ＦＥＮＧ Ｊｉｅ，ｅｔ ａ１．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ＶＳ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，３５（１）：１６３—１６７． ［４］王广州，师宇杰，唐丽焕，等．串并联谐振倍压变换器高压电源的设计与研究［Ｊ］．高电压技术，２００６，３２（７）：９８—１０１． ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，ＳＨＵ Ｙｕｊｉｅ，ＴＡＮＧ Ｌｉｈｕａｎ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａ ｓｅｒｉｅｅｓ—ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｄｕａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００６，３２（７）：９８一１０１． ［５］张春林，严萍．基于ＤＳＰ的数字化高压直流电源的研究ｌ－Ｊ］．高电压技术，２００８，３４（１０）：２２４—２２４３． ＺＨＡＮＧ Ｃｈｕｎｌｉｎ，ＹＡＮ Ｐｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰＥＪ￣．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８， ３４（１０）：２２４—２２４３． ［６］王广州，师宇杰，刘小宝，等．串并联谐振倍压变换器原理分析、建模及仿真［Ｊ］．电力电子技术，２００６，４０（２）：１１６－１１８． ＷＡＮＧ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，ＳＨＩ Ｙｕｊｉｅ，ＬＩＵ Ｘｉａｏｂａｏ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｅｒｉｅｓ—ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｄｕａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００６，４Ｏ（２）：１１６－１１８． ［７］苏建仓，王利民，丁永忠，等．串联谐振充电电源分析设计［Ｊ］．强激光与粒子束，２００４，１６（１２）：１６１１—１６１４． ＳＵ Ｊｉａｎｃａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｌｉｍｉｎ，ＤＩＮＧ Ｙｏｎｇｚｈｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，２００４，１６（１２）：１６１１—１６１４． ［８］朱志杰，张贵新，刘亮，等．用于产生等离子体的高压脉冲电源的研制［Ｊ］．高电压技术，２００７，３３（２）：２８—３１． ＺＨＵ Ｚｈｉｊｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｇｕｉｘｉｎ，ＬＩＵ Ｌｉａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｐｌａｓｍａ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，３３（２）：２８—３１． 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