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 機械工程與自動化學院，北京100191)

趙 晶

(北京航天發射技術研究所，北京100076)

隨著電子束加工技術的發展要求，電子束高壓電源的加速電源輸出電壓高達幾萬伏或十幾萬伏甚至更高，若采用變壓器直接升壓方式，不僅存在變壓器結構設計困難，而且很難保證絕緣強度，故采用高壓高頻變壓器升壓與后級倍壓整流電路結合的方式來產生所需高壓.

高壓逆變電源技術是電子束高壓電源的研究熱點，而倍壓整流電路設計是高壓逆變電源的關鍵技術之一.針對電子束高壓逆變電源的特點，選擇合適的倍壓整流電路結構和采用正確的電力電子器件來產生穩定可靠的高壓輸出是高壓升壓技術的核心問題[1].對于電路器件參數的選擇，若通過試驗來確定，會造成成本的急劇提高，而通過軟件對設計電路進行模擬仿真，會節省大量的人力物力，使整體電路的設計有很高的效率.

本文基于150 kV高壓逆變電源的設計參數要求，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合的方案構建了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電路進行仿真，重點考察了倍壓電容對輸出紋波、整流二極管沖擊電流的影響，確定并優化了合適的電容和整流二極管的參數，最終進行組裝調試試驗對方案設計進行驗證[1－4].

1 電子束高壓加速電源結構

研究表明，當高壓為150 kV、功率為30 kW時，能夠基本滿足大厚度材料的焊接需求.而高壓的穩定度達到±0.25%時，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計難度，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合的方案進行升壓，方案結構如圖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輸入經過整流濾波后通過一級直流電源產生約500 V的穩定直流輸出，由一級全橋逆變電路產生500 V交流方波，再由高頻變壓器將電壓進行一次升壓，然后經過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，提高電源的動特性.

由于高壓逆變電源額定功率達到30 kW，采用一組30 kW全橋逆變電路產生交流方波和一個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，雖然技術上可以實現，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計非常困難.故考慮采用多路逆變電源配套倍壓整流電路并聯輸出的方案.本文設計采用三路并聯方式輸出.

2 幾種常見的倍壓整流電路

倍壓整流電路有多種結構，其實質是電荷泵[5].常見的結構有3種，各有優缺點，見圖2.

圖2 10倍壓整流電路常見結構

這3種電路結構都是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種結構每個電容上的電壓不會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.電容為串聯放電，紋波大.

第2種結構紋波小，但倍壓電容的耐壓要求高，隨著N增大，后級電容的電壓應力隨之增加.最后一個電容耐壓值須達到10U，而且二極管的參數要求也高.

第3種結構為第1種結構的改進，全波整流的紋波比半波整流小很多，且倍壓電容電壓應力不超過2U.

實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導致輸出電壓的大幅度跌落.電壓輸出的精確計算比較繁瑣，工程項目中通常使用一個經驗模型公式[8－10].對于圖2中的C-W半波倍壓整流電路，設輸出電流為I，每個電容容量相同均為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、倍壓電容、輸出電流等參數決定.

3 倍壓整流電路仿真設計

3.1 倍壓整流電路的選擇

由上可知輸出電壓與電源頻率、倍壓電容值和負載有關.通過增加電源頻率、增加電容值、增大負載來達到減小電壓下降，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已經確定，輸出電流I要求達到200mA，則要得到良好的電源輸出電壓品質，主要通過調整參數C來進行.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行仿真，來研究分析不同參數對輸出電壓的影響，以選擇合適的倍壓電容參數.

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，設置死區時間為3 μs，變壓器變比為 1∶36，則變壓器二次側輸出電壓為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種倍壓整流電路進行仿真.

根據式(1)對電路參數進行初選，已知參數f=20 kHz，倍壓級數N=5，輸出電流設為200mA，空載輸出電壓為U=18 kV×2×N=180 kV.要求輸出電壓達到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行仿真，電容統一選為50 nF，負載為750 kΩ.輸出電壓的仿真波形如圖3所示.

圖3 3種倍壓整流電路結構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入穩態時間都很快，但紋波有較大區別.具體仿真結果如表1所示.

表1 不同倍壓整流電路輸出電壓仿真結果

由表1中數據比較可知，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，達到1.85%.而信克爾倍壓整流電路輸出電壓進入穩態快，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，而且對二極管參數也有較高要求.對于C-W全波倍壓整流電路，輸出電壓進入穩態也很快，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仿真

3.2.1 電容參數對輸出的影響

首先選擇整體改變電容參數，來研究分析倍壓電容參數對電路輸出電壓的影響.倍壓電容統一為50 nF已進行仿真，故整體分別改為25，10，1和100 nF，其他參數不變，對電路進行仿真，可得在不同參數的倍壓電容下的輸出電壓仿真結果，如表2所示.

表2 不同參數倍壓電容對輸出電壓的仿真結果

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，導致輸出電壓不足以滿足要求，而且紋波越來越大.而當增大倍壓電容選為100 nF時，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 倍壓電容參數對二極管的沖擊電流的影響通過計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態建立的過程中，會對整流二極管有一個較大的沖擊電流.經過仿真測試，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的前提下，應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.故倍壓電容統一采用50 nF，負載選擇750 kΩ.此條件下對電路模型進行仿真，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，紋波系數為0.17%.

3.2.3 不同位置倍壓電容參數對輸出的影響

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的影響.對照圖2c電路結構圖，本文根據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，即 C3，C6，C9，C12，C15參數，結果如表4所示.

表4 單一改變每級輸出電容仿真結果

由以上仿真結果可知，倍壓電容中的輸出電容對輸出電壓的影響相當，沒有單個電容對輸出電壓影響超過其他電容，考慮電路結構設計故選擇統一改變倍壓整流電路的輸出電容參數.

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

表5 單獨改變每級電路對稱位置電容仿真結果

由以上仿真結果可知，對稱的升壓電容作用也相當，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，進入穩定狀態的時間幾乎不變.

3.2.4 倍壓整流電路方案確定

考慮電路結構設計，故對于處在對稱位置的升壓電容，可以統一選擇較小的容值，以減小倍壓電路的體積.通過仿真數據綜合考慮，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，紋波系數為0.226%，滿足參數要求.

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，紋波系數為0.250%.故不宜再對中間位置電容進行減小.對于選定的參數，進行三路并聯輸出仿真，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，紋波系數為0.08%，系統響應快，輸出電壓和紋波系數滿足電子束工藝使用要求.

4 試驗結果

綜上所述，三路逆變單元配套高壓高頻變壓器并聯進行試驗，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輸出對應高壓反饋電壓為9 V.測試結果如圖5所示.

圖5 試驗調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到10 V，對應輸出電壓達到167 kV左右.雖然逆變電路開關毛刺造成高壓輸出不穩定，但可知采用C-W全波10倍壓整流電路方案可以實現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來優化電路參數，解決開關毛刺問題.

5 結論

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行仿真分析，對相關參數進行優化設計，并通過試驗調試獲得實際驗證，得到主要結論如下:

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

2)仿真結果表明，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.通過參數的組合，能得到更好的輸出特性.

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