高壓高頻整流硅堆電路設計及應用

紀養龍 張永峰 曹勇 李勇 張星 王騫

摘 要：介紹了高壓高頻整流電路在大功率電子束開關電源系統中的應用，通過對快恢復二極管的選型、二極管串并聯應用、均壓電路參數設計、結構設計等多方面的研究完成了高壓高頻整流硅堆電路設計。設計完成后并對制作出的高壓高頻二極管硅堆進行了主要參數的測試和應用。

關鍵詞：高壓高頻;整流硅堆

1.高壓高頻開關電子束電源系統介紹

高壓高頻開關電子束電源系統如拓撲圖1所示，由380V交流進線電源開關、工頻二極管三相全橋整流電路、IGBT全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、高壓高頻整流器、電感電容濾波回路等組成了單個電源模塊，由六個或多個單模塊串聯組成整個電子束電源系統。高頻升壓變壓器二次側整流電路由于電壓高、頻率高所以是本系統的重要難題之一。解決這一難題需要設計出適用于本回路的整流硅堆。

2.高壓高頻整流硅堆設計

2.1硅堆設計依據

電子束電源系統單個模塊中高頻變壓器升壓后，交流電壓為6KV有效值，頻率20K、電流10A。依據高頻升壓變壓器的高壓側輸出參數和整流硅堆能可靠地運行，整流硅堆電壓電流需要考慮3倍的設計欲量。

2.2硅堆方案實施

根據整流原理，每個高頻高壓二極管硅堆阻斷電壓應為6KV直流電壓，10A電流。要設計出能滿足系統3倍裕量的高壓高頻整流硅堆，目前市場上成熟的高頻二極管阻斷電壓1000V，電流10A，所以選型ZK10-10型高頻二極管串并聯組合完成。

單個硅堆由60只高頻二極管組成，每20只串聯3只并聯組成單個整流硅堆，每并聯3只高頻二極管并聯一只均壓電阻保證每只二甲管所承受電壓均等。不考慮均壓系數和均流系數情況下單個硅堆阻斷直流電壓為20KV，電流為30A，完全滿足3倍欲量的要求。

由于硅堆電壓較高，60只高頻二極管和20只均壓電阻的串并聯通過制作PCB制版完成。器件排列采用U性排列，為了提高首尾之間的耐壓可以在U型中間開孔曹的方式提高爬電距離。為了減少PCB版的電流發熱，PCB版的銅箔布線盡量的厚和寬。圖2為高壓高頻器件布局圖。

2.3高壓高頻整流整流硅堆測試

高壓高頻硅堆設計制作完成后，需要對制作完成的產品進行主要參數的測試，測試合格后進行下一步的應用。本高壓高頻硅堆的主要考核參數有均壓系數、反相阻斷漏電流、正相額定電流硅堆總壓降、正相額定電流溫升。

均壓系數測試和阻斷漏電流測試用同一個測試條件同時完成。測試方法是對硅堆施加反相60KV直流電壓，測試漏電流和每個串聯高頻二極管兩端的反向電壓。漏電流可以直接測試得到結果，一般在50微安左右。均壓系數需要通過測試的每一組數據進行計算所得，均壓系數的計算方法是每組反相阻斷電壓的平均值除反響阻斷電壓最大值所得。每個硅堆的均壓系數一般在0.95以上。

額定電流總壓降和額定溫升測試用同一個測試條件完成。測試方法加10A正相額定電流，正相硅堆總壓降可以直接測試得來數據，測得總壓降在15V左右。通流30分鐘后硅堆溫度不在增加，溫升不超過30℃。

經過以上主要參數的測試，高壓高頻硅堆已經滿足了使用條件。

3.單相高壓高頻整流橋設計及應用

高頻高壓電子束單元由4個高壓高頻硅堆模塊組成單相全橋整流電路完成6KV、10A功率的輸出，由于單個硅堆電壓、電流設計欲量為三倍，所以整流橋的欲量為三倍。圖3是由4個整流硅堆組成整流橋的側面設計圖。為了提高硅堆之間的耐壓中間加環氧玻璃布絕緣板進行隔離。

每個整流橋安裝于整流變壓器之上，減少進線電阻和進線電感最終通過6個電源模塊完成電子束電源系統。每個模塊安裝如圖4所示，整流器與變壓器共同使用一臺風機完成散熱。

4.結語

4.1采用本文設計的高壓硅堆組成6個單相全橋高頻整流電路然后6個橋串聯，每個橋輸出電壓6KV。最終完成33KV，10A的電子束轟擊電源的研發技術指標。

4.2經過試驗驗證高壓電子束電源輸出滿足紋波系數小于1%，穩壓精度小于1%。在高壓額定負載下電壓不下降。

4.3由于設計欲量較大，使用過程中出現較短時間過流過壓情況時前級不需要跳閘從而保證了電子束電源的工作可靠性和安全性。

參考文獻：

[1]姬軍鵬，陳文杰，馬志鵬，曾光，楊旭.36KV電子束轟擊爐高壓直流開關電源設計[J]. 西安交通大學學報 2017，（8）.

（西安派瑞功率半導體變流技術股份有限公司，陜西 西安 710076）