150 kV高壓逆變電源倍壓整流電路仿真

杜慧聰 劉方軍 張 偉

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

趙 晶

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076)

隨著電子束加工技術(shù)的發(fā)展要求，電子束高壓電源的加速電源輸出電壓高達(dá)幾萬伏或十幾萬伏甚至更高，若采用變壓器直接升壓方式，不僅存在變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，而且很難保證絕緣強(qiáng)度，故采用高壓高頻變壓器升壓與后級倍壓整流電路結(jié)合的方式來產(chǎn)生所需高壓.

高壓逆變電源技術(shù)是電子束高壓電源的研究熱點(diǎn)，而倍壓整流電路設(shè)計(jì)是高壓逆變電源的關(guān)鍵技術(shù)之一.針對電子束高壓逆變電源的特點(diǎn)，選擇合適的倍壓整流電路結(jié)構(gòu)和采用正確的電力電子器件來產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的高壓輸出是高壓升壓技術(shù)的核心問題[1].對于電路器件參數(shù)的選擇，若通過試驗(yàn)來確定，會(huì)造成成本的急劇提高，而通過軟件對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行模擬仿真，會(huì)節(jié)省大量的人力物力，使整體電路的設(shè)計(jì)有很高的效率.

本文基于150 kV高壓逆變電源的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，采用高壓高頻變壓器與科克羅夫特沃爾頓(C-W，Cockcroft-Walton)全波倍壓整流電路結(jié)合的方案構(gòu)建了150 kV高壓逆變電源的升壓電路，通過對比幾種常見的倍壓整流電路，使用MULTISIM軟件對C-W電路進(jìn)行仿真，重點(diǎn)考察了倍壓電容對輸出紋波、整流二極管沖擊電流的影響，確定并優(yōu)化了合適的電容和整流二極管的參數(shù)，最終進(jìn)行組裝調(diào)試試驗(yàn)對方案設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證[1－4].

1 電子束高壓加速電源結(jié)構(gòu)

研究表明，當(dāng)高壓為150 kV、功率為30 kW時(shí)，能夠基本滿足大厚度材料的焊接需求.而高壓的穩(wěn)定度達(dá)到±0.25%時(shí)，所獲得焊縫成形好，焊縫根部釘形缺陷較小，有效熔深提高[1].針對上述要求研制高壓逆變電源，如果直接利用高壓高頻變壓器升壓，將增大高壓高頻變壓器的設(shè)計(jì)難度，且難以找到合適的磁芯.故采用高壓高頻變壓器與倍壓整流電路結(jié)合的方案進(jìn)行升壓，方案結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 高壓逆變電源升壓方案框圖

在圖1中，三相工頻380 V輸入經(jīng)過整流濾波后通過一級直流電源產(chǎn)生約500 V的穩(wěn)定直流輸出，由一級全橋逆變電路產(chǎn)生500 V交流方波，再由高頻變壓器將電壓進(jìn)行一次升壓，然后經(jīng)過C-W倍壓整流電路升壓至150 kV，選擇合適的整流器件以保證輸出的穩(wěn)定性和可靠性.采用倍壓整流可以降低高壓變壓器的研究難度，減少變壓器的儲能，提高電源的動(dòng)特性.

由于高壓逆變電源額定功率達(dá)到30 kW，采用一組30 kW全橋逆變電路產(chǎn)生交流方波和一個(gè)30 kW的高壓變壓器，再用一組10倍壓整流電路生成150 kV高壓，雖然技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但不僅需要使用大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)器件，而且高壓升壓變壓器設(shè)計(jì)非常困難.故考慮采用多路逆變電源配套倍壓整流電路并聯(lián)輸出的方案.本文設(shè)計(jì)采用三路并聯(lián)方式輸出.

2 幾種常見的倍壓整流電路

倍壓整流電路有多種結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)是電荷泵[5].常見的結(jié)構(gòu)有3種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，見圖2.

圖2 10倍壓整流電路常見結(jié)構(gòu)

這3種電路結(jié)構(gòu)都是10倍壓整流電路，通常稱每2倍為一階，用N表示.如果將所有二極管反向，可以得到相反極性的輸出電壓[5－7].

第1種結(jié)構(gòu)每個(gè)電容上的電壓不會(huì)超過變壓器次級峰值電壓U的2倍，可以選用耐壓較低的電容.電容為串聯(lián)放電，紋波大.

第2種結(jié)構(gòu)紋波小，但倍壓電容的耐壓要求高，隨著N增大，后級電容的電壓應(yīng)力隨之增加.最后一個(gè)電容耐壓值須達(dá)到10U，而且二極管的參數(shù)要求也高.

第3種結(jié)構(gòu)為第1種結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，全波整流的紋波比半波整流小很多，且倍壓電容電壓應(yīng)力不超過2U.

實(shí)際中高階倍壓整流電路帶載能力很差，輸出很小的功率就會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的大幅度跌落.電壓輸出的精確計(jì)算比較繁瑣，工程項(xiàng)目中通常使用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸絒8－10].對于圖2中的C-W半波倍壓整流電路，設(shè)輸出電流為I，每個(gè)電容容量相同均為C，交流電源頻率為f，則電壓跌落為

通過式(1)可以分析，電壓降由輸入信號頻率、倍壓級數(shù)、倍壓電容、輸出電流等參數(shù)決定.

3 倍壓整流電路仿真設(shè)計(jì)

3.1 倍壓整流電路的選擇

由上可知輸出電壓與電源頻率、倍壓電容值和負(fù)載有關(guān).通過增加電源頻率、增加電容值、增大負(fù)載來達(dá)到減小電壓下降，從而降低輸出電壓降和減小紋波.而其中輸入電壓頻率和倍壓級數(shù)已經(jīng)確定，輸出電流I要求達(dá)到200mA，則要得到良好的電源輸出電壓品質(zhì)，主要通過調(diào)整參數(shù)C來進(jìn)行.但是電容過大必將增加電路的成本和體積.所以本文通過MULTISIM軟件對倍壓整流電路進(jìn)行仿真，來研究分析不同參數(shù)對輸出電壓的影響，以選擇合適的倍壓電容參數(shù).

分別建立C-W半波倍壓整流電路、信克爾倍壓整流電路和C-W全波倍壓整流電路的10倍壓整流電路模型，電路模型選擇理想器件，輸入電壓為500 V交流方波，工作頻率為20 kHz，設(shè)置死區(qū)時(shí)間為3 μs，變壓器變比為 1∶36，則變壓器二次側(cè)輸出電壓為18 kV交流方波，二極管反向耐壓值選擇40 kV，使用MULTISIM軟件對3種倍壓整流電路進(jìn)行仿真.

根據(jù)式(1)對電路參數(shù)進(jìn)行初選，已知參數(shù)f=20 kHz，倍壓級數(shù)N=5，輸出電流設(shè)為200mA，空載輸出電壓為U=18 kV×2×N=180 kV.要求輸出電壓達(dá)到150 kV，則可得電壓降

則可得C≥32.5 nF，故C的初選值為50 nF.

對C-W半波倍壓整流電路、信克爾倍壓整流電路和C-W全波倍壓整流電路進(jìn)行仿真，電容統(tǒng)一選為50 nF，負(fù)載為750 kΩ.輸出電壓的仿真波形如圖3所示.

圖3 3種倍壓整流電路結(jié)構(gòu)的電壓輸出仿真波形

由圖3中仿真波形可得，3種不同的倍壓整流電路輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間都很快，但紋波有較大區(qū)別.具體仿真結(jié)果如表1所示.

表1 不同倍壓整流電路輸出電壓仿真結(jié)果

由表1中數(shù)據(jù)比較可知，C-W半波倍壓整流電路的輸出電壓降滿足使用要求，但紋波很大，達(dá)到1.85%.而信克爾倍壓整流電路輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)快，輸出電壓紋波很小，但該電路方案對后級的電容耐壓性要求較高，最后一級輸出電容耐壓值需要超過輸出電壓，而且對二極管參數(shù)也有較高要求.對于C-W全波倍壓整流電路，輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)也很快，紋波雖然比信克爾倍壓整流電路大，但僅為0.17%，而且電容耐壓值要求較低.綜上考慮，選擇C-W全波倍壓整流電路方案.

3.2 C-W全波倍壓整流電路的電容參數(shù)仿真

3.2.1 電容參數(shù)對輸出的影響

首先選擇整體改變電容參數(shù)，來研究分析倍壓電容參數(shù)對電路輸出電壓的影響.倍壓電容統(tǒng)一為50 nF已進(jìn)行仿真，故整體分別改為25，10，1和100 nF，其他參數(shù)不變，對電路進(jìn)行仿真，可得在不同參數(shù)的倍壓電容下的輸出電壓仿真結(jié)果，如表2所示.

表2 不同參數(shù)倍壓電容對輸出電壓的仿真結(jié)果

由表2可知，隨著倍壓電容容值的減小，輸出電壓的壓降越來越大，導(dǎo)致輸出電壓不足以滿足要求，而且紋波越來越大.而當(dāng)增大倍壓電容選為100 nF時(shí)，輸出電壓為 －177.167 kV，電壓峰峰值為153 V，輸出電流為236.397 mA，紋波系數(shù)為0.09%.輸出電壓的壓降和紋波都減小.

3.2.2 倍壓電容參數(shù)對二極管的沖擊電流的影響通過計(jì)算及仿真可得一致推斷，倍壓電容越大，高壓輸出越高，而且紋波越小.但倍壓電容也不是越大越好，在電路開始工作到穩(wěn)態(tài)建立的過程中，會(huì)對整流二極管有一個(gè)較大的沖擊電流.經(jīng)過仿真測試，可得不同倍壓電容值下電路對二極管的沖擊電流，結(jié)果如表3所示.

表3 不同倍壓電容值下對二極管的沖擊電流

由表3可見，為保證電路元器件的正常工作，在滿足輸出電壓和紋波系數(shù)的前提下，應(yīng)盡量選擇較小的倍壓電容.而且如果將對輸出影響較小的電容采用較小的電容值，對輸出影響較大的電容采用較大的電容值，就可以在保證對輸出沒有太大影響的前提下節(jié)約成本，減小電路體積.

考慮到仿真工作選用的是理想元器件，所以要保證一定的裕量.故倍壓電容統(tǒng)一采用50 nF，負(fù)載選擇750 kΩ.此條件下對電路模型進(jìn)行仿真，測得二極管的工作電流為124 mA，輸出電壓為－174.392 kV，電壓峰峰值為298 V，輸出電流為232.694 mA，紋波系數(shù)為0.17%.

3.2.3 不同位置倍壓電容參數(shù)對輸出的影響

通過改變單一電容，來測試不同位置電容的容值對輸出電壓和紋波系數(shù)的影響.對照圖2c電路結(jié)構(gòu)圖，本文根據(jù)不同位置電容所起到的作用可將 C3，C6，C9，C12，C15稱為輸出電容，而將 C1，C2，C4，C5，C7，C8，C10，C11，C13，C14稱為升壓電容.

先分別改變輸出電容參數(shù)，即 C3，C6，C9，C12，C15參數(shù)，結(jié)果如表4所示.

表4 單一改變每級輸出電容仿真結(jié)果

由以上仿真結(jié)果可知，倍壓電容中的輸出電容對輸出電壓的影響相當(dāng)，沒有單個(gè)電容對輸出電壓影響超過其他電容，考慮電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)故選擇統(tǒng)一改變倍壓整流電路的輸出電容參數(shù).

再考慮升壓電容參數(shù)，即 C1，C2，C4，C5，C7，C8，C10，C11，C13，C14參數(shù).將對稱的升壓電容每一級單獨(dú)改變，可得結(jié)果如表5所示.

表5 單獨(dú)改變每級電路對稱位置電容仿真結(jié)果

由以上仿真結(jié)果可知，對稱的升壓電容作用也相當(dāng)，電容容量對輸出電壓和電流僅有輕微的影響，且輸出電壓的紋波僅稍稍變大，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間幾乎不變.

3.2.4 倍壓整流電路方案確定

考慮電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故對于處在對稱位置的升壓電容，可以統(tǒng)一選擇較小的容值，以減小倍壓電路的體積.通過仿真數(shù)據(jù)綜合考慮，對稱位置倍壓電容選為25 nF，中間位置電容選為50 nF，可得仿真結(jié)果如下:輸出電壓為－168.631 kV，電壓峰峰值為381 V，輸出電流為225.008 mA，紋波系數(shù)為0.226%，滿足參數(shù)要求.

若再將C3改為25nF，通過仿真可得輸出電壓為－168.785kV，電壓峰峰值為422 V，輸出電流為225.213mA，紋波系數(shù)為0.250%.故不宜再對中間位置電容進(jìn)行減小.對于選定的參數(shù)，進(jìn)行三路并聯(lián)輸出仿真，可得輸出電壓波形如圖4所示.

圖4 三路單元并聯(lián)的輸出電壓仿真

由圖4可得，輸出電壓為－176.047 kV，電壓峰峰值為133 V，輸出電流為234.905 mA，紋波系數(shù)為0.08%，系統(tǒng)響應(yīng)快，輸出電壓和紋波系數(shù)滿足電子束工藝使用要求.

4 試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，三路逆變單元配套高壓高頻變壓器并聯(lián)進(jìn)行試驗(yàn)，變壓器變比為1∶36，選擇C-W 10倍壓全波整流電路，倍壓電容為0.025 μF/40 kV，二極管反向耐壓值選為40 kV，故選擇耐沖擊高壓硅堆，型號為2CLG40 kV/0.6 A.高壓輸出通過電阻分壓方式采樣，150 kV輸出對應(yīng)高壓反饋電壓為9 V.測試結(jié)果如圖5所示.

圖5 試驗(yàn)調(diào)試測得輸入電壓和高壓反饋波形圖

由圖5可得高壓反饋電壓達(dá)到10 V，對應(yīng)輸出電壓達(dá)到167 kV左右.雖然逆變電路開關(guān)毛刺造成高壓輸出不穩(wěn)定，但可知采用C-W全波10倍壓整流電路方案可以實(shí)現(xiàn)150 kV的電壓輸出.而要獲得良好的輸出特性，還需要通過不斷試驗(yàn)來優(yōu)化電路參數(shù)，解決開關(guān)毛刺問題.

5 結(jié)論

通過使用MULTISIM軟件對電子束高壓逆變電源的倍壓整流電路進(jìn)行仿真分析，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)調(diào)試獲得實(shí)際驗(yàn)證，得到主要結(jié)論如下:

1)C-W全波倍壓整流電路結(jié)合高壓升壓變壓器，可以實(shí)現(xiàn)150 kV高壓輸出.

2)仿真結(jié)果表明，考慮電路器件的選擇和比較輸出電壓特性，C-W全波倍壓整流電路為倍壓整流電路的最優(yōu)方案.

3)在輸入頻率一定情況下，倍壓電容不是取得一樣或越大越好，在滿足電源參數(shù)要求的前提下，選擇較小的倍壓電容，可以降低電路對二極管的沖擊電流，并且減小電路的體積.通過參數(shù)的組合，能得到更好的輸出特性.

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