高压高频整流硅堆电路设计及应用

纪养龙 张永峰 曹勇 李勇 张星 王骞

摘 要：介绍了高压高频整流电路在大功率电子束开关电源系统中的應用，通过对快恢复二极管的选型、二极管串并联应用、均压电路参数设计、结构设计等多方面的研究完成了高压高频整流硅堆电路设计。设计完成后并对制作出的高压高频二极管硅堆进行了主要参数的测试和应用。

关键词：高压高频;整流硅堆

1.高压高频开关电子束电源系统介绍

高压高频开关电子束电源系统如拓扑图1所示，由380V交流进线电源开关、工频二极管三相全桥整流电路、IGBT全桥逆变电路、高频升压变压器、高压高频整流器、电感电容滤波回路等组成了单个电源模块，由六个或多个单模块串联组成整个电子束电源系统。高频升压变压器二次侧整流电路由于电压高、频率高所以是本系统的重要难题之一。解决这一难题需要设计出适用于本回路的整流硅堆。

2.高压高频整流硅堆设计

2.1硅堆设计依据

电子束电源系统单个模块中高频变压器升压后，交流电压为6KV有效值，频率20K、电流10A。依据高频升压变压器的高压侧输出参数和整流硅堆能可靠地运行，整流硅堆电压电流需要考虑3倍的设计欲量。

2.2硅堆方案实施

根据整流原理，每个高频高压二极管硅堆阻断电压应为6KV直流电压，10A电流。要设计出能满足系统3倍裕量的高压高频整流硅堆，目前市场上成熟的高频二极管阻断电压1000V，电流10A，所以选型ZK10-10型高频二极管串并联组合完成。

单个硅堆由60只高频二极管组成，每20只串联3只并联组成单个整流硅堆，每并联3只高频二极管并联一只均压电阻保证每只二甲管所承受电压均等。不考虑均压系数和均流系数情况下单个硅堆阻断直流电压为20KV，电流为30A，完全满足3倍欲量的要求。

由于硅堆电压较高，60只高频二极管和20只均压电阻的串并联通过制作PCB制版完成。器件排列采用U性排列，为了提高首尾之间的耐压可以在U型中间开孔曹的方式提高爬电距离。为了减少PCB版的电流发热，PCB版的铜箔布线尽量的厚和宽。图2为高压高频器件布局图。

2.3高压高频整流整流硅堆测试

高压高频硅堆设计制作完成后，需要对制作完成的产品进行主要参数的测试，测试合格后进行下一步的应用。本高压高频硅堆的主要考核参数有均压系数、反相阻断漏电流、正相额定电流硅堆总压降、正相额定电流温升。

均压系数测试和阻断漏电流测试用同一个测试条件同时完成。测试方法是对硅堆施加反相60KV直流电压，测试漏电流和每个串联高频二极管两端的反向电压。漏电流可以直接测试得到结果，一般在50微安左右。均压系数需要通过测试的每一组数据进行计算所得，均压系数的计算方法是每组反相阻断电压的平均值除反响阻断电压最大值所得。每个硅堆的均压系数一般在0.95以上。

额定电流总压降和额定温升测试用同一个测试条件完成。测试方法加10A正相额定电流，正相硅堆总压降可以直接测试得来数据，测得总压降在15V左右。通流30分钟后硅堆温度不在增加，温升不超过30℃。

经过以上主要参数的测试，高压高频硅堆已经满足了使用条件。

3.单相高压高频整流桥设计及应用

高频高压电子束单元由4个高压高频硅堆模块组成单相全桥整流电路完成6KV、10A功率的输出，由于单个硅堆电压、电流设计欲量为三倍，所以整流桥的欲量为三倍。图3是由4个整流硅堆组成整流桥的侧面设计图。为了提高硅堆之间的耐压中间加环氧玻璃布绝缘板进行隔离。

每个整流桥安装于整流变压器之上，减少进线电阻和进线电感最终通过6个电源模块完成电子束电源系统。每个模块安装如图4所示，整流器与变压器共同使用一台风机完成散热。

4.结语

4.1采用本文设计的高压硅堆组成6个单相全桥高频整流电路然后6个桥串联，每个桥输出电压6KV。最终完成33KV，10A的电子束轰击电源的研发技术指标。

4.2经过试验验证高压电子束电源输出满足纹波系数小于1%，稳压精度小于1%。在高压额定负载下电压不下降。

4.3由于设计欲量较大，使用过程中出现较短时间过流过压情况时前级不需要跳闸从而保证了电子束电源的工作可靠性和安全性。

参考文献：

[1]姬军鹏，陈文杰，马志鹏，曾光，杨旭.36KV电子束轰击炉高压直流开关电源设计[J]. 西安交通大学学报 2017，（8）.

（西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司，陕西 西安 710076）