150 kV高压逆变电源倍压整流电路仿真

杜慧聪 刘方军 张 伟

(北京航空航天大学 机械工程与自动化学院，北京100191)

赵 晶

(北京航天发射技术研究所，北京100076)

随着电子束加工技术的发展要求，电子束高压电源的加速电源输出电压高达几万伏或十几万伏甚至更高，若采用变压器直接升压方式，不仅存在变压器结构设计困难，而且很难保证绝缘强度，故采用高压高频变压器升压与后级倍压整流电路结合的方式来产生所需高压.

高压逆变电源技术是电子束高压电源的研究热点，而倍压整流电路设计是高压逆变电源的关键技术之一.针对电子束高压逆变电源的特点，选择合适的倍压整流电路结构和采用正确的电力电子器件来产生稳定可靠的高压输出是高压升压技术的核心问题[1].对于电路器件参数的选择，若通过试验来确定，会造成成本的急剧提高，而通过软件对设计电路进行模拟仿真，会节省大量的人力物力，使整体电路的设计有很高的效率.

本文基于150 kV高压逆变电源的设计参数要求，采用高压高频变压器与科克罗夫特沃尔顿(C-W，Cockcroft-Walton)全波倍压整流电路结合的方案构建了150 kV高压逆变电源的升压电路，通过对比几种常见的倍压整流电路，使用MULTISIM软件对C-W电路进行仿真，重点考察了倍压电容对输出纹波、整流二极管冲击电流的影响，确定并优化了合适的电容和整流二极管的参数，最终进行组装调试试验对方案设计进行验证[1－4].

1 电子束高压加速电源结构

研究表明，当高压为150 kV、功率为30 kW时，能够基本满足大厚度材料的焊接需求.而高压的稳定度达到±0.25%时，所获得焊缝成形好，焊缝根部钉形缺陷较小，有效熔深提高[1].针对上述要求研制高压逆变电源，如果直接利用高压高频变压器升压，将增大高压高频变压器的设计难度，且难以找到合适的磁芯.故采用高压高频变压器与倍压整流电路结合的方案进行升压，方案结构如图1所示.

图1 高压逆变电源升压方案框图

在图1中，三相工频380 V输入经过整流滤波后通过一级直流电源产生约500 V的稳定直流输出，由一级全桥逆变电路产生500 V交流方波，再由高频变压器将电压进行一次升压，然后经过C-W倍压整流电路升压至150 kV，选择合适的整流器件以保证输出的稳定性和可靠性.采用倍压整流可以降低高压变压器的研究难度，减少变压器的储能，提高电源的动特性.

由于高压逆变电源额定功率达到30 kW，采用一组30 kW全桥逆变电路产生交流方波和一个30 kW的高压变压器，再用一组10倍压整流电路生成150 kV高压，虽然技术上可以实现，但不仅需要使用大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件，而且高压升压变压器设计非常困难.故考虑采用多路逆变电源配套倍压整流电路并联输出的方案.本文设计采用三路并联方式输出.

2 几种常见的倍压整流电路

倍压整流电路有多种结构，其实质是电荷泵[5].常见的结构有3种，各有优缺点，见图2.

图2 10倍压整流电路常见结构

这3种电路结构都是10倍压整流电路，通常称每2倍为一阶，用N表示.如果将所有二极管反向，可以得到相反极性的输出电压[5－7].

第1种结构每个电容上的电压不会超过变压器次级峰值电压U的2倍，可以选用耐压较低的电容.电容为串联放电，纹波大.

第2种结构纹波小，但倍压电容的耐压要求高，随着N增大，后级电容的电压应力随之增加.最后一个电容耐压值须达到10U，而且二极管的参数要求也高.

第3种结构为第1种结构的改进，全波整流的纹波比半波整流小很多，且倍压电容电压应力不超过2U.

实际中高阶倍压整流电路带载能力很差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落.电压输出的精确计算比较繁琐，工程项目中通常使用一个经验模型公式[8－10].对于图2中的C-W半波倍压整流电路，设输出电流为I，每个电容容量相同均为C，交流电源频率为f，则电压跌落为

通过式(1)可以分析，电压降由输入信号频率、倍压级数、倍压电容、输出电流等参数决定.

3 倍压整流电路仿真设计

3.1 倍压整流电路的选择

由上可知输出电压与电源频率、倍压电容值和负载有关.通过增加电源频率、增加电容值、增大负载来达到减小电压下降，从而降低输出电压降和减小纹波.而其中输入电压频率和倍压级数已经确定，输出电流I要求达到200mA，则要得到良好的电源输出电压品质，主要通过调整参数C来进行.但是电容过大必将增加电路的成本和体积.所以本文通过MULTISIM软件对倍压整流电路进行仿真，来研究分析不同参数对输出电压的影响，以选择合适的倍压电容参数.

分别建立C-W半波倍压整流电路、信克尔倍压整流电路和C-W全波倍压整流电路的10倍压整流电路模型，电路模型选择理想器件，输入电压为500 V交流方波，工作频率为20 kHz，设置死区时间为3 μs，变压器变比为 1∶36，则变压器二次侧输出电压为18 kV交流方波，二极管反向耐压值选择40 kV，使用MULTISIM软件对3种倍压整流电路进行仿真.

根据式(1)对电路参数进行初选，已知参数f=20 kHz，倍压级数N=5，输出电流设为200mA，空载输出电压为U=18 kV×2×N=180 kV.要求输出电压达到150 kV，则可得电压降

则可得C≥32.5 nF，故C的初选值为50 nF.

对C-W半波倍压整流电路、信克尔倍压整流电路和C-W全波倍压整流电路进行仿真，电容统一选为50 nF，负载为750 kΩ.输出电压的仿真波形如图3所示.

图3 3种倍压整流电路结构的电压输出仿真波形

由图3中仿真波形可得，3种不同的倍压整流电路输出电压进入稳态时间都很快，但纹波有较大区别.具体仿真结果如表1所示.

表1 不同倍压整流电路输出电压仿真结果

由表1中数据比较可知，C-W半波倍压整流电路的输出电压降满足使用要求，但纹波很大，达到1.85%.而信克尔倍压整流电路输出电压进入稳态快，输出电压纹波很小，但该电路方案对后级的电容耐压性要求较高，最后一级输出电容耐压值需要超过输出电压，而且对二极管参数也有较高要求.对于C-W全波倍压整流电路，输出电压进入稳态也很快，纹波虽然比信克尔倍压整流电路大，但仅为0.17%，而且电容耐压值要求较低.综上考虑，选择C-W全波倍压整流电路方案.

3.2 C-W全波倍压整流电路的电容参数仿真

3.2.1 电容参数对输出的影响

首先选择整体改变电容参数，来研究分析倍压电容参数对电路输出电压的影响.倍压电容统一为50 nF已进行仿真，故整体分别改为25，10，1和100 nF，其他参数不变，对电路进行仿真，可得在不同参数的倍压电容下的输出电压仿真结果，如表2所示.

表2 不同参数倍压电容对输出电压的仿真结果

由表2可知，随着倍压电容容值的减小，输出电压的压降越来越大，导致输出电压不足以满足要求，而且纹波越来越大.而当增大倍压电容选为100 nF时，输出电压为 －177.167 kV，电压峰峰值为153 V，输出电流为236.397 mA，纹波系数为0.09%.输出电压的压降和纹波都减小.

3.2.2 倍压电容参数对二极管的冲击电流的影响通过计算及仿真可得一致推断，倍压电容越大，高压输出越高，而且纹波越小.但倍压电容也不是越大越好，在电路开始工作到稳态建立的过程中，会对整流二极管有一个较大的冲击电流.经过仿真测试，可得不同倍压电容值下电路对二极管的冲击电流，结果如表3所示.

表3 不同倍压电容值下对二极管的冲击电流

由表3可见，为保证电路元器件的正常工作，在满足输出电压和纹波系数的前提下，应尽量选择较小的倍压电容.而且如果将对输出影响较小的电容采用较小的电容值，对输出影响较大的电容采用较大的电容值，就可以在保证对输出没有太大影响的前提下节约成本，减小电路体积.

考虑到仿真工作选用的是理想元器件，所以要保证一定的裕量.故倍压电容统一采用50 nF，负载选择750 kΩ.此条件下对电路模型进行仿真，测得二极管的工作电流为124 mA，输出电压为－174.392 kV，电压峰峰值为298 V，输出电流为232.694 mA，纹波系数为0.17%.

3.2.3 不同位置倍压电容参数对输出的影响

通过改变单一电容，来测试不同位置电容的容值对输出电压和纹波系数的影响.对照图2c电路结构图，本文根据不同位置电容所起到的作用可将 C3，C6，C9，C12，C15称为输出电容，而将 C1，C2，C4，C5，C7，C8，C10，C11，C13，C14称为升压电容.

先分别改变输出电容参数，即 C3，C6，C9，C12，C15参数，结果如表4所示.

表4 单一改变每级输出电容仿真结果

由以上仿真结果可知，倍压电容中的输出电容对输出电压的影响相当，没有单个电容对输出电压影响超过其他电容，考虑电路结构设计故选择统一改变倍压整流电路的输出电容参数.

再考虑升压电容参数，即 C1，C2，C4，C5，C7，C8，C10，C11，C13，C14参数.将对称的升压电容每一级单独改变，可得结果如表5所示.

表5 单独改变每级电路对称位置电容仿真结果

由以上仿真结果可知，对称的升压电容作用也相当，电容容量对输出电压和电流仅有轻微的影响，且输出电压的纹波仅稍稍变大，进入稳定状态的时间几乎不变.

3.2.4 倍压整流电路方案确定

考虑电路结构设计，故对于处在对称位置的升压电容，可以统一选择较小的容值，以减小倍压电路的体积.通过仿真数据综合考虑，对称位置倍压电容选为25 nF，中间位置电容选为50 nF，可得仿真结果如下:输出电压为－168.631 kV，电压峰峰值为381 V，输出电流为225.008 mA，纹波系数为0.226%，满足参数要求.

若再将C3改为25nF，通过仿真可得输出电压为－168.785kV，电压峰峰值为422 V，输出电流为225.213mA，纹波系数为0.250%.故不宜再对中间位置电容进行减小.对于选定的参数，进行三路并联输出仿真，可得输出电压波形如图4所示.

图4 三路单元并联的输出电压仿真

由图4可得，输出电压为－176.047 kV，电压峰峰值为133 V，输出电流为234.905 mA，纹波系数为0.08%，系统响应快，输出电压和纹波系数满足电子束工艺使用要求.

4 试验结果

综上所述，三路逆变单元配套高压高频变压器并联进行试验，变压器变比为1∶36，选择C-W 10倍压全波整流电路，倍压电容为0.025 μF/40 kV，二极管反向耐压值选为40 kV，故选择耐冲击高压硅堆，型号为2CLG40 kV/0.6 A.高压输出通过电阻分压方式采样，150 kV输出对应高压反馈电压为9 V.测试结果如图5所示.

图5 试验调试测得输入电压和高压反馈波形图

由图5可得高压反馈电压达到10 V，对应输出电压达到167 kV左右.虽然逆变电路开关毛刺造成高压输出不稳定，但可知采用C-W全波10倍压整流电路方案可以实现150 kV的电压输出.而要获得良好的输出特性，还需要通过不断试验来优化电路参数，解决开关毛刺问题.

5 结论

通过使用MULTISIM软件对电子束高压逆变电源的倍压整流电路进行仿真分析，对相关参数进行优化设计，并通过试验调试获得实际验证，得到主要结论如下:

1)C-W全波倍压整流电路结合高压升压变压器，可以实现150 kV高压输出.

2)仿真结果表明，考虑电路器件的选择和比较输出电压特性，C-W全波倍压整流电路为倍压整流电路的最优方案.

3)在输入频率一定情况下，倍压电容不是取得一样或越大越好，在满足电源参数要求的前提下，选择较小的倍压电容，可以降低电路对二极管的冲击电流，并且减小电路的体积.通过参数的组合，能得到更好的输出特性.

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