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摘 要 目前，用于大功率电子枪供电的电源基本采用可控硅调压，工频变压器升压后并整流输出的方式，该类电源有着柜体笨重、制造成本高、输出电压纹波大、电能转换效率低、动态性能差等多项缺点和不足。本文介绍了一种基于IGBT为功率器件的大功率高频高压直流电源技术，其具有体积小、重量轻、控制精度高、稳定性好、纹波系数低、检测响应与保护速度快等优点。
关键词 IGBT；核心器件；大功率；电源技术
中图分类号 TM7 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0087-03
电子束冷床熔炼炉（简称EB炉）是一种利用大功率电子束轰击金属材料产生高温而达到冶炼目的特殊真空冶金设备，其中的电子枪和高压直流电源是其最核心的组成部分。电子枪的高压直流电源形成电子束加速电源，并在阴极提供源源不断用以加速的电子形成高速电子束。
目前，用于电子枪供电的电源均是采用可控硅调压后，工频变压器升压后整流输出的方式，该电源有着体积笨重、成本高、输出电压纹波大、转换效率低、动态性能差等多项缺点和不足。随着IGBT功率器件运用技术的日益成熟，高频开关电源替代传统的工频硅整流电源已经成为电源设计的一种发展趋势。针对现有技术中的传统可控硅式高压线性直流电源所存在的不足之处，可以采用IGBT作为核心功率器件研发一种全新的大功率高频高压大功率直流电源。
该电子枪高频高压直流电源主回路采用IGBT全桥逆变及多模块串联均压技术，提高电源的控制响应速度，实现电源的高电压、大功率输出；通过对高压升压变压器的寄生参数进行谐振，降低高压升压变压器的制作难度、实现开关管的软开关，使电源的转换效率高达95%；利用错相的控制方法，减少输出大电容、电感的滤波，使电源的输出纹波低于1%，有效解决转换效率低、输出纹波高、输出稳定性低等技术问题。
1 技术原理概述
大功率高频高压直流电源主要由前级EMI滤波、整流后经四路谐振变换器、高频升压变压器升压、整流后串聯输出高压直流。系统的工作方式为连续工作，其工作原理为：电网的3AC380V交流电经EMI滤波器和三相交流电抗器，可以有效滤除电网侧的高次谐波对高压直流电源的干扰，同时也能阻止高压电源高频开关斩波产生的高次谐波干扰同电网下的其他用电设备。整流回路将三相交流电整流输出300Hz的脉动直流，整流后接四路改进型谐振变换器，每路谐振变换器都配有LC滤波、IGBT全桥逆变器、串联谐振回路。四路串联谐振变换器受主控制板统一控制其PWM的触发相位，多路PWM波错相触发技术的应用有效的降低高压直流电源的输出纹波。四路谐振变换器后接高频升压变压器升压，低漏感、大功率、高隔离电压的高频升压变压器升压后接整流回路。高频高压大功率直流电源系统如图1所示。
反馈处理、主控制板和模块控制板组成系统控制回路，反馈处理隔离采集高压输出的电压、电流信号并输出模拟信号到主控制板，为主控制板的闭环控制提供实时数据。主控制板通过光纤通信和模块控制板交换信号，统一控制模块控制板的工作状态；主控制板发出的错相PWM波采用光纤方式传送，可靠性大大提高。
1.1 模块主回路拓扑
从上述整机方案可知，各模块共用直流母线，经独立的LC滤波，降低300Hz纹波提高输出电压稳定度，降低输出电压纹波为IGBT逆变桥提供稳定的直流电源。为适应电子枪电源的要求，采用IGBT高频逆变技术具有工作频率高，可以快速的调节输出，响应快的优点。
如图2所示，输入直流经整流、滤波后，得到平滑直流电，经IGBT转换为高频交流，经高压变压器隔离后，由高压整流二极管整流，再滤波可得到高压输出。根据输出功率的不同，调节IGBT导通/关断时间比，即可稳定输出电压。
模块由直流熔断器、直流电抗器、滤波电容、IGBT、变压器、高压整流二极管、高压滤波电容等组成。每个模块独立供电，当任意模块出现故障时，有交流熔断器进行隔离保护，可将故障点限制在单个模块内，确保系统安全。
1.2 模块主回路软开关原理
由于单模块电源输出功率大、输出电压高、电流大，若采用传统的变换器，开关管工作在硬开关状态，存在开关损耗，即开关时有开通损耗和关断损耗。如图3所示，开关电源的开关管开通过程中，开关管两端电压下降与流过其上电流存在一叠加区域，他们的交叉面积就是能量损耗，由此产生了开通损耗；同理，在开关管两端电压和电流也存在一交叠过程，使开关管同样存在关断损耗。
由于开关损耗在每次开关过程中均存在，随着电源工作频率提高，总的开关损耗就越大，电源的效率就越低。而且由于开关过程中电压的变化率du/dt和电流的变化率di/dt很大，会产生很大的开关噪声，而产生电磁干扰，使系统正常运行受到影响。在硬开关工作状态下，受高频高压升压变压器的漏感、分布电容对变换器工作的影响非常大，甚至使电源不能工作，因此硬开关不适合高压直流电源的需求。
软开关技术可以减小开关变换器中的开关器件在开通和关断过程中的开关损耗，提高变换器的效率，减小EMI电磁干扰，减小开关器件散热装置的体积和重量，提高变换器的工作可靠性，减小变压器寄生参数对系统的影响。为此，在变换器中采用了软开关技术，利用高压变压器的寄生参数进行谐振，实现了电源的高电压大功率输出和开关管的软开关，提高系统的效率和运行可靠性，软开关控制脉冲和电流电压波形见图4。
在一个PWM周期内Q1、Q2、Q3、Q4的开关损耗如表1所示：
从表1可以看到出，在一个PWM周期内Q1、Q2、Q3、Q4的4次开通和4次关断过程中只有2次关断为硬关断，其他都是软关断或软开通，和普通的开关电源拓扑相比极大的减少开关损耗，提高整机转换
效率。
2 技术指标对比及特点
2.1 谐波 高压直流线性电源方案中为了稳定输出电压，工频升压变压器在设计时通常留有较大余量，可控硅在调节输出时的强制关断使电压、电流谐波高达70%；而高压直流电源方案采用IGBT作为核心功率器件，前级的二极管整流在其输入电压的过零点自然关断和导通，减少电网电压、电流波形的畸变。
2.2 率因数、转换效率
高压直流线性电源为了稳定输出电压，工频升压变压器在设计时通常留有较大余量，可控硅在调节输出时的强制关断，使得每个工频周期都有一部分电能未能做功，对电网的利用率很低，功率因数甚致低于0.7，转换效率低于70%；而高压直流电源方案采用IGBT作为核心功率器件，每个周期对电网的利用率几乎达到了100%，转换效率高达93%。
2.3 输出电压纹波
高压直流线性电源中变压器升压后工频整流的300Hz纹波需要很大的滤波电感、电容才能有效抑制，而高耐压的滤波电感、电容制作困难、体積庞大，这些因数使得最终的输出电压纹波高达8%以上；而高压直流电源所采用谐振变换器的开关频率达到11kHz，通过在前端电感电容对300HZ进行滤波后，采用先进的PWM错相触发移，升压后整流输出的纹波频率达到88kHz，可以用很小的滤波电感、电容就达到很好的滤波效果，这些措施使得最终的输出电压纹波优
于1%。
2.4 打火响应能力
高压直流线性电源采用的可控硅调压方式，其开关频率低，一个工频周期内只开通关断一次，当出现打火时，不能立即关断，要到该周期的自然过零点时才能关断，持续的能量输出容易使设备及电源本身损坏；而高压直流电源采用的谐振变换器方式，其开关频率高达11kHz，当出现打火时，原边的逆变回路可在2us内将IGBT关断，电源系统可在55us内控制打火电流和输出功率，将电源本身和用电设备的损坏可能降到
最低。
3 大功率高频高压电源的特点
1）大功率高电压。具有大功率、高压大电流的特点，电源功率可达450kW，高压大电流可达15A以上。2）高效节能。采用ZVZCS技术，大大降低开关管损耗，延长开关管使用寿命，整机转换效率高达95%以上。3）高性价比。采用高频逆变技术，提高系统响应调节速度和输出稳定性。极大地减少了升压变压器的成本和体积，节省高压电源成本10%～15%，减少电源系统的占地面积30%～40%。4）响应速度快。专门研发输出电压、电流的快速采集技术，为打火状态的判定提供可靠的实时数据。高性能DSP的使用使打火保护功能可在55us内快速响应，打火保护后电源的重启最短可在1ms（1～999ms可设）内完成。5）稳定精度高。高性能DSP控制和优秀的控制算法，采用隔离采样，确保系统稳定运行，稳定精度高达0.5%。6）低纹波系数。先进的PWM错相触发技术能有效控制输出电压纹波，输出纹波优于1%。
4 与国内外同类技术比较
经过在国内多方合作研制和样机测试，与国内、外同类高压直流电源产品主要新能指标对比见
表2。
与国内外厂家的电源对比，本大功率高频高压直流电源全面超过了国内传统技术的可控硅式高压直流电源，并与国外高压直流电源的关键性技术指标持平，其中输出纹波还优于国外
产品。
本技术无论从节能降耗，还是从国产化研发技术创新思路出发，都具有一定的技术优势，由于技术保密需要，本文也只是做了一些粗略的介绍和探讨，还有更深层次的技术还需在实践中进一步地完善和
提升。
参考文献
[1]电气学会半导体电力变换系统调查专门委员会.电力电子电路[M].北京：科学出版社，2003.
[2]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002.
[3]葛中海.开关电源实例电路测试与设计[M].北京：电子工业出版社，2015.
[4]孝正.电力电子学[M].李世新，陈君实，译.北京：科学出版社，2001.
[5]林辉，王辉.电力电子学[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.
[6]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[7]杨洁民.高压直流设备基础[M].北京：中国电力出版社，2011.
[8]倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器[M].北京：机械工业出版社，2005.
[9]刘凤君.DELTA逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[10]伯格丁.信号完整性和电源完整性分析[M].李玉山，译.北京：电子工业出版社，2005.
关键词 IGBT；核心器件；大功率；电源技术
中图分类号 TM7 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0087-03
电子束冷床熔炼炉（简称EB炉）是一种利用大功率电子束轰击金属材料产生高温而达到冶炼目的特殊真空冶金设备，其中的电子枪和高压直流电源是其最核心的组成部分。电子枪的高压直流电源形成电子束加速电源，并在阴极提供源源不断用以加速的电子形成高速电子束。
目前，用于电子枪供电的电源均是采用可控硅调压后，工频变压器升压后整流输出的方式，该电源有着体积笨重、成本高、输出电压纹波大、转换效率低、动态性能差等多项缺点和不足。随着IGBT功率器件运用技术的日益成熟，高频开关电源替代传统的工频硅整流电源已经成为电源设计的一种发展趋势。针对现有技术中的传统可控硅式高压线性直流电源所存在的不足之处，可以采用IGBT作为核心功率器件研发一种全新的大功率高频高压大功率直流电源。
该电子枪高频高压直流电源主回路采用IGBT全桥逆变及多模块串联均压技术，提高电源的控制响应速度，实现电源的高电压、大功率输出；通过对高压升压变压器的寄生参数进行谐振，降低高压升压变压器的制作难度、实现开关管的软开关，使电源的转换效率高达95%；利用错相的控制方法，减少输出大电容、电感的滤波，使电源的输出纹波低于1%，有效解决转换效率低、输出纹波高、输出稳定性低等技术问题。
1 技术原理概述
大功率高频高压直流电源主要由前级EMI滤波、整流后经四路谐振变换器、高频升压变压器升压、整流后串聯输出高压直流。系统的工作方式为连续工作，其工作原理为：电网的3AC380V交流电经EMI滤波器和三相交流电抗器，可以有效滤除电网侧的高次谐波对高压直流电源的干扰，同时也能阻止高压电源高频开关斩波产生的高次谐波干扰同电网下的其他用电设备。整流回路将三相交流电整流输出300Hz的脉动直流，整流后接四路改进型谐振变换器，每路谐振变换器都配有LC滤波、IGBT全桥逆变器、串联谐振回路。四路串联谐振变换器受主控制板统一控制其PWM的触发相位，多路PWM波错相触发技术的应用有效的降低高压直流电源的输出纹波。四路谐振变换器后接高频升压变压器升压，低漏感、大功率、高隔离电压的高频升压变压器升压后接整流回路。高频高压大功率直流电源系统如图1所示。
反馈处理、主控制板和模块控制板组成系统控制回路，反馈处理隔离采集高压输出的电压、电流信号并输出模拟信号到主控制板，为主控制板的闭环控制提供实时数据。主控制板通过光纤通信和模块控制板交换信号，统一控制模块控制板的工作状态；主控制板发出的错相PWM波采用光纤方式传送，可靠性大大提高。
1.1 模块主回路拓扑
从上述整机方案可知，各模块共用直流母线，经独立的LC滤波，降低300Hz纹波提高输出电压稳定度，降低输出电压纹波为IGBT逆变桥提供稳定的直流电源。为适应电子枪电源的要求，采用IGBT高频逆变技术具有工作频率高，可以快速的调节输出，响应快的优点。
如图2所示，输入直流经整流、滤波后，得到平滑直流电，经IGBT转换为高频交流，经高压变压器隔离后，由高压整流二极管整流，再滤波可得到高压输出。根据输出功率的不同，调节IGBT导通/关断时间比，即可稳定输出电压。
模块由直流熔断器、直流电抗器、滤波电容、IGBT、变压器、高压整流二极管、高压滤波电容等组成。每个模块独立供电，当任意模块出现故障时，有交流熔断器进行隔离保护，可将故障点限制在单个模块内，确保系统安全。
1.2 模块主回路软开关原理
由于单模块电源输出功率大、输出电压高、电流大，若采用传统的变换器，开关管工作在硬开关状态，存在开关损耗，即开关时有开通损耗和关断损耗。如图3所示，开关电源的开关管开通过程中，开关管两端电压下降与流过其上电流存在一叠加区域，他们的交叉面积就是能量损耗，由此产生了开通损耗；同理，在开关管两端电压和电流也存在一交叠过程，使开关管同样存在关断损耗。
由于开关损耗在每次开关过程中均存在，随着电源工作频率提高，总的开关损耗就越大，电源的效率就越低。而且由于开关过程中电压的变化率du/dt和电流的变化率di/dt很大，会产生很大的开关噪声，而产生电磁干扰，使系统正常运行受到影响。在硬开关工作状态下，受高频高压升压变压器的漏感、分布电容对变换器工作的影响非常大，甚至使电源不能工作，因此硬开关不适合高压直流电源的需求。
软开关技术可以减小开关变换器中的开关器件在开通和关断过程中的开关损耗，提高变换器的效率，减小EMI电磁干扰，减小开关器件散热装置的体积和重量，提高变换器的工作可靠性，减小变压器寄生参数对系统的影响。为此，在变换器中采用了软开关技术，利用高压变压器的寄生参数进行谐振，实现了电源的高电压大功率输出和开关管的软开关，提高系统的效率和运行可靠性，软开关控制脉冲和电流电压波形见图4。
在一个PWM周期内Q1、Q2、Q3、Q4的开关损耗如表1所示：
从表1可以看到出，在一个PWM周期内Q1、Q2、Q3、Q4的4次开通和4次关断过程中只有2次关断为硬关断，其他都是软关断或软开通，和普通的开关电源拓扑相比极大的减少开关损耗，提高整机转换
效率。
2 技术指标对比及特点
2.1 谐波 高压直流线性电源方案中为了稳定输出电压，工频升压变压器在设计时通常留有较大余量，可控硅在调节输出时的强制关断使电压、电流谐波高达70%；而高压直流电源方案采用IGBT作为核心功率器件，前级的二极管整流在其输入电压的过零点自然关断和导通，减少电网电压、电流波形的畸变。
2.2 率因数、转换效率
高压直流线性电源为了稳定输出电压，工频升压变压器在设计时通常留有较大余量，可控硅在调节输出时的强制关断，使得每个工频周期都有一部分电能未能做功，对电网的利用率很低，功率因数甚致低于0.7，转换效率低于70%；而高压直流电源方案采用IGBT作为核心功率器件，每个周期对电网的利用率几乎达到了100%，转换效率高达93%。
2.3 输出电压纹波
高压直流线性电源中变压器升压后工频整流的300Hz纹波需要很大的滤波电感、电容才能有效抑制，而高耐压的滤波电感、电容制作困难、体積庞大，这些因数使得最终的输出电压纹波高达8%以上；而高压直流电源所采用谐振变换器的开关频率达到11kHz，通过在前端电感电容对300HZ进行滤波后，采用先进的PWM错相触发移，升压后整流输出的纹波频率达到88kHz，可以用很小的滤波电感、电容就达到很好的滤波效果，这些措施使得最终的输出电压纹波优
于1%。
2.4 打火响应能力
高压直流线性电源采用的可控硅调压方式，其开关频率低，一个工频周期内只开通关断一次，当出现打火时，不能立即关断，要到该周期的自然过零点时才能关断，持续的能量输出容易使设备及电源本身损坏；而高压直流电源采用的谐振变换器方式，其开关频率高达11kHz，当出现打火时，原边的逆变回路可在2us内将IGBT关断，电源系统可在55us内控制打火电流和输出功率，将电源本身和用电设备的损坏可能降到
最低。
3 大功率高频高压电源的特点
1）大功率高电压。具有大功率、高压大电流的特点，电源功率可达450kW，高压大电流可达15A以上。2）高效节能。采用ZVZCS技术，大大降低开关管损耗，延长开关管使用寿命，整机转换效率高达95%以上。3）高性价比。采用高频逆变技术，提高系统响应调节速度和输出稳定性。极大地减少了升压变压器的成本和体积，节省高压电源成本10%～15%，减少电源系统的占地面积30%～40%。4）响应速度快。专门研发输出电压、电流的快速采集技术，为打火状态的判定提供可靠的实时数据。高性能DSP的使用使打火保护功能可在55us内快速响应，打火保护后电源的重启最短可在1ms（1～999ms可设）内完成。5）稳定精度高。高性能DSP控制和优秀的控制算法，采用隔离采样，确保系统稳定运行，稳定精度高达0.5%。6）低纹波系数。先进的PWM错相触发技术能有效控制输出电压纹波，输出纹波优于1%。
4 与国内外同类技术比较
经过在国内多方合作研制和样机测试，与国内、外同类高压直流电源产品主要新能指标对比见
表2。
与国内外厂家的电源对比，本大功率高频高压直流电源全面超过了国内传统技术的可控硅式高压直流电源，并与国外高压直流电源的关键性技术指标持平，其中输出纹波还优于国外
产品。
本技术无论从节能降耗，还是从国产化研发技术创新思路出发，都具有一定的技术优势，由于技术保密需要，本文也只是做了一些粗略的介绍和探讨，还有更深层次的技术还需在实践中进一步地完善和
提升。
参考文献
[1]电气学会半导体电力变换系统调查专门委员会.电力电子电路[M].北京：科学出版社，2003.
[2]刘凤君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002.
[3]葛中海.开关电源实例电路测试与设计[M].北京：电子工业出版社，2015.
[4]孝正.电力电子学[M].李世新，陈君实，译.北京：科学出版社，2001.
[5]林辉，王辉.电力电子学[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.
[6]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[7]杨洁民.高压直流设备基础[M].北京：中国电力出版社，2011.
[8]倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器[M].北京：机械工业出版社，2005.
[9]刘凤君.DELTA逆变技术及其在交流电源中的应用[M].北京：机械工业出版社，2003.
[10]伯格丁.信号完整性和电源完整性分析[M].李玉山，译.北京：电子工业出版社，2005.