CN115133805A - 一种大功率高压加速器电源 - Google Patents

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罗万里
刘湘
王正云
严凯杰
陈文军
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    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters

Abstract

本发明涉及移动加速器技术领域，具体涉及一种大功率高压加速器电源，包括整流滤波模块、PFC控制模块、全桥逆变模块、LLC谐振模块、倍压整流模块以及主控模块；所述PFC控制模块包括开关管Q1、二极管D18、电感L1、开关管Q2、二极管D5以及电容C1；所述开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端以及全桥逆变模块分别与主控模块连接。本发明采用PFC稳压模块，提高系统的功率因素提高效率，PFC稳压模块采用升降压的PFC控制方式，实现宽范围的调节；同时交流电经整流滤波模块整流滤波后得到直流电压，PFC稳压模块控制稳定电压，全桥逆变模块逆变得到占空比可调的高频方波交流电压，经LLC谐振模块升压后得到交流高压，再经过倍压整流模块后得到所需要的直流高压电压。

Description

一种大功率高压加速器电源
技术领域
本发明涉及移动加速器技术领域，具体涉及一种大功率高压加速器电源。
背景技术
如今，核技术的发展不断更新换代，尤其是一些关乎国家科技进步的前沿学科，像高能物理学科、生物化学学科、空间技术学科等。粒子加速器作为辅助现代科学进步的重要工具，主要作用是探索原子核性质、结构和相互作用，其在众多领域都有着广泛的应用，特别是在高能物理方面，加速器技术及其应用是检验国家科学技术水平的重要试金石，其发展可以广泛带动和影响周围学科的进步和更新。目前，大型加速器一般是由国家资金支持建设或涉及到大型科技项目的实验装置，围绕其可进行在高能物理学科范畴内的多领域实验研究，越来越多的承担国家各项科研发展任务。
目前加速器，特别是低能加速器，一个重要特征就是产业化应用。例如，用于治疗癌症的电子和质子加速器、用于大型集装箱探测和工业CT的电子直线加速器、半导体工艺生产等。
对于大功率的高压加速器电源来说，输出电压达到200kV，如何实现这么宽电压范围调节，如何使得输出电压纹波纹波0.05％p-p之间，以及如何在输出功率满足2000W的条件下，设计能够满足输出电压达到200kV并且电压纹波纹波0.05％p-p之间的加速器电源。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种大功率高压加速器电源。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种大功率高压加速器电源，包括整流滤波模块、PFC控制模块、全桥逆变模块、LLC谐振模块、倍压整流模块以及主控模块；
所述整流滤波模块的输出端与PFC稳压模块的输入端连接；所述PFC稳压模块的输出端与全桥逆变模块的输入端连接；所述全桥逆变模块的输出端与LLC谐振模块的输入端连接；所述LLC谐振模块的输出端与倍压整流模块的输入端连接；所述倍压整流模块的输出端分别设有第一输出口以及第二输出口；
所述PFC控制模块包括开关管Q1、二极管D18、电感L1、开关管Q2、二极管D5以及电容C1；所述开关管Q1的开关端分别与整流滤波模块的输出端以及电感L1的一端连接；所述电感L1的另一端通过二极管D5与全桥逆变模块的输入端连接；所述开关管Q2的开关端分别与所述电感L1的另一端以及二极管D18连接；所述二极管D18与电感L1的一端连接；所述开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端以及全桥逆变模块分别与主控模块连接。
本发明进一步设置为，所述整流滤波模块包括整流桥以及与整流桥输出端连接的滤波电容C15。
本发明进一步设置为，所述全桥逆变模块包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5以及开关管Q6；所述开关管Q3的源极与开关管Q4的源极连接；所述开关管Q5的漏极与开关管Q6的漏极连接；所述开关管Q3的漏极与开关管Q5 的源极连接；所述开关管Q4的漏极与开关管Q6的源极连接；所述开关管Q3 的漏极以及开关管Q4的漏极分别与LLC谐振模块连接。
本发明进一步设置为，所述LLC谐振模块包括高频变压器T1、电感L2以及电容C2；所述高频变压器T1的原边的两端分别通过电感L2以及电容C2后与全桥逆变模块连接；所述高频变压器T1的副边与倍压整流模块连接。
本发明进一步设置为，所述倍压整流模块包括正向倍压整流组以及负向倍压整流组；所述高频变压器T1副边的一端接地；所述高频变压器T1副边的另一端分别通过正向倍压整流组以及负向倍压整流组后与高频变压器T1副边的一端连接；所述第一输出口设于正向倍压整流组的输出端；所述第二输出口设于负向倍压整流组的输出端。
本发明进一步设置为，所述正向倍压整流组均包括多个正向阶级以及多个负向阶级；所述正向阶级包括正向电容以及正向二极管；所述负向阶级包括负向电容以及负向二极管；所述正向电容与正向二极管的负极连接；所述正向二极管的正极与高频变压器T1副边的一端连接；所述正向二极管的负极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向电容与负向二极管的负极连接；所述负向二极管的负向与高频变压器T1副边的一端连接；所述负向二极管的正极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向阶级与正向阶级交错设置。
本发明进一步设置为，所述正向阶级还包括设于正向电容与正向二极管之间的正向电阻；所述负向阶级还包括设于负向电容与负向二极管之间的负向电阻。
本发明进一步设置为，所述大功率高压加速器电源还包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块分别与高频变压器T1的副边以及主控模块连接；所述电流采集模块包括采样电阻R10；所述采样电阻R10与高频变压器T1的副边连接；所述采样电阻R10与主控模块连接。
本发明进一步设置为，所述正向二极管以及负向二极管的电流电压参数为200mA/25kV；所述正向电容以及负向电容的耐压性为30kV。
本发明进一步设置为，所述整流滤波模块还包括热敏电阻NTC1；所述热敏电阻NTC1与滤波电容C15连接。
本发明的有益效果：本发明采用PFC稳压模块，提高系统的功率因素提高效率，同时PFC稳压模块采用升降压的PFC控制方式，实现大的宽范围的调节；同时交流电经整流滤波模块整流滤波后得到直流电压，PFC稳压模块控制稳定电压，全桥逆变模块逆变得到占空比可调的高频方波交流电压，经LLC 谐振模块升压后得到交流高压，再经过倍压整流模块后得到所需要的直流高压电压。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明的电路图；
其中：11、第一输出口；12、第二输出口；21、正向倍压整流组；22、负向倍压整流组；3、整流桥；41、正向电容；42、正向二极管；43、正向电阻；51、负向电容；52、负向二极管；53、负向电阻；6、主控模块。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
由图1可知，本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，包括整流滤波模块、PFC控制模块、全桥逆变模块、LLC谐振模块、倍压整流模块以及主控模块6；
所述整流滤波模块的输出端与PFC稳压模块的输入端连接；所述PFC稳压模块的输出端与全桥逆变模块的输入端连接；所述全桥逆变模块的输出端与LLC谐振模块的输入端连接；所述LLC谐振模块的输出端与倍压整流模块的输入端连接；所述倍压整流模块的输出端分别设有第一输出口11以及第二输出口12；
所述PFC控制模块包括开关管Q1、二极管D18、电感L1、开关管Q2、二极管D5以及电容C1；所述开关管Q1的开关端分别与整流滤波模块的输出端以及电感L1的一端连接；所述电感L1的另一端通过二极管D5与全桥逆变模块的输入端连接；所述开关管Q2的开关端分别与所述电感L1的另一端以及二极管D18连接；所述二极管D18与电感L1的一端连接；所述开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端以及全桥逆变模块分别与主控模块6连接。
具体地，本实施例所述的大功率高压加速器电源，系统工作时，将交流电(AC220V)经整流滤波模块整流滤波后得到约300V的直流电压，PFC稳压模块控制稳定电压400V，全桥逆变模块逆变得到占空比可调的高频方波交流电压，经LLC谐振模块升压后得到交流高压，再经过倍压整流模块后得到所需要的直流高压电压；而为了电源能满足2000W的输出，同时实现宽电压的调节，本实施例采用PFC稳压模块，提高系统的功率因素提高效率，同时PFC稳压模块采用升降压的PFC控制方式，实现大的宽范围的调节，当需要实现降压的时候，通过主控模块6不断控制开关管Q1的通断，经过二极管D18为续流工作，从而使得开关管Q1、二极管D18、电感L1以及电容C1之间形成 BUCK降压模式，从而进行降压，当需要实现升压的时候，通过主控模块6控制开关管Q1导通，再通过主控模块6控制开关管Q2的占空比，从而实现升压，以达到大的宽范围电压的调节。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述整流滤波模块包括整流桥3以及与整流桥3输出端连接的滤波电容C15。通过上述设置便于实现整流滤波。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述全桥逆变模块包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5以及开关管Q6；所述开关管Q3的源极与开关管Q4的源极连接；所述开关管Q5的漏极与开关管Q6的漏极连接；所述开关管Q3的漏极与开关管Q5的源极连接；所述开关管Q4的漏极与开关管Q6的源极连接；所述开关管Q3的漏极以及开关管Q4的漏极分别与LLC谐振模块连接。通过上述设置使得全桥逆变模块逆变得到占空比可调的高频方波交流电压，经LLC谐振模块的高频变压器升压后得到交流高压。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述LLC谐振模块包括高频变压器T1、电感L2以及电容C2；所述高频变压器T1的原边的两端分别通过电感L2以及电容C2后与全桥逆变模块连接；所述高频变压器T1的副边与倍压整流模块连接。
系统工作时，将交流电(AC220V)经整流滤波模块整流滤波后得到约300V 的直流电压，PFC稳压模块控制稳定电压400V，全桥逆变模块逆变得到占空比可调的高频方波交流电压，经LLC谐振模块的高频变压器T1升压后得到交流高压，再经过倍压整流模块后得到所需要的直流高压电压。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述倍压整流模块包括正向倍压整流组21以及负向倍压整流组22；所述高频变压器T1副边的一端接地；所述高频变压器T1副边的另一端分别通过正向倍压整流组21以及负向倍压整流组22后与高频变压器T1副边的一端连接；所述第一输出口11设于正向倍压整流组21的输出端；所述第二输出口12设于负向倍压整流组22的输出端。
具体地，本实施例倍压整流模块的正向倍压整流组21以及负向倍压整流组22组成正负双向倍压整流的方式，并使正负两端一端接地，另一端输出高压，这样整个电路相当于两个十倍压整流电路串联能够减小倍压整流模块的内部压降，提高直流电源的稳定度和效率，增强了负载能力，可以大幅度地减小电源输出的纹波系数。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述正向倍压整流组21均包括多个正向阶级以及多个负向阶级；所述正向阶级包括正向电容41以及正向二极管42；所述负向阶级包括负向电容51以及负向二极管52；所述正向电容41与正向二极管42的负极连接；所述正向二极管42的正极与高频变压器T1副边的一端连接；所述正向二极管42的负极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向电容51与负向二极管52的负极连接；所述负向二极管 52的负向与高频变压器T1副边的一端连接；所述负向二极管52的正极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向阶级与正向阶级交错设置。本实施例将高压变压器接在倍压整流模块中间，组成正负双向倍压整流的方式，并使正负两端一端接地，另一端输出高压，能够大大减小电压纹波。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述正向阶级还包括设于正向电容41与正向二极管42之间的正向电阻43；所述负向阶级还包括设于负向电容51与负向二极管52之间的负向电阻53。
具体地，倍压整流为了控制及输出纹波，中间点接地，保证输出为地的正负电压平衡；同时倍压整流考虑到电源对纹波以及稳定性的要求，这里对全波式倍压整流电路做以改进，在原有基础上对中间串级电容各支路都串联了限流的正向电阻43以及负向电阻53，如图所示的是限制(电容充电)和吸收由于高压端意外打火放电时产生的瞬间大电流，可以有效避免大电流对正向二极管42以及负向二极管52造成损毁，提高系统稳定性设计。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述大功率高压加速器电源还包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块分别与高频变压器T1的副边以及主控模块6连接；所述电流采集模块包括采样电阻R10；所述采样电阻R10与高频变压器T1的副边连接；所述采样电阻R10与主控模块6连接。
具体地，电压采集模块作用是对输出的直流高压进行取样，电流采集模块是通过适当功率的精密电阻来检测流过采样电阻R10的电流而达到检测整个直流高压电源的输出电流，取样信号反馈给主控模块6处理，与输入值进行比较，形成双环反馈控制以稳定电压，并将电压电流实时显示在机箱面板上。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述正向二极管42以及负向二极管52的电流电压参数为200mA/25kV；所述正向电容41以及负向电容 51的耐压性为30kV。
本实施例所述的一种大功率高压加速器电源，所述整流滤波模块还包括热敏电阻NTC1；所述热敏电阻NTC1与滤波电容C15连接。通过上述设置使得大功率高压加速器电源更加稳定。
具体地，本实施例倍压整流模块的中间点接地，保证输出为地的正负电压平衡，同时降低了采集的设计难度，系统纹波的调节从正向电容41容值、负向电容51容值、倍压整流倍数及开关频率两个方向着手，由于耐压高，电容的容值受工艺限制，无法做到高耐压大容值，系统电压输出纹波要求达到 0.05％的指标，在倍压整流这块，倍压整流倍数采用20倍的倍压整流，前级电源输出电压选择输出11kV(11kV的电源控制和耐压相对好设计很多)，经过20倍的倍压整流输出电压为220kV电压，由于倍压整流存在电压跌落，电压跌落值与倍压整流倍数，开关频率，等相关，为了降低电源的输出纹波，系统提高全桥逆变模块模块的开关频率和减小倍压整流的倍数。系统电压高，功率大，采用全桥逆变模块可实现软开关技术，降低了控制中的开关损耗，可以将系统的开关频率提高，同时通过全桥逆变模块以及LLC谐振模块的调频控制实现精细的电压调节，从而降低了电源输出的纹波问题，实现电源低纹波输出，达到降低电压纹波，提高系统带载能力的需求；采集整流输出的电压进行反馈调节，LLC谐振模块控制输出的电压范围为11kV，选择11kV经过20倍的倍压整流，输出可满足220kV的电压输出，预留一点余量，同时后级的正向二极管42、负向二极管52、正向电容41以及负向电容51选型也会相对容易，正向二极管42以及负向二极管52选型如下：从高频变压器T1输出的电压有11kV，这里取二极管耐压值取20kV，结合电源2000W的输出功率，以及串联大量的电阻，因此综合考虑选择二极管参数为：200mA/25kV。倍压整流模块存在电压跌落U，输出电压精度要求0.2％，设计安0.1％计算，保证系统的设计参数优于指标参数，电容耐压选择30kV的耐压等级电容，市面上30kV耐压电容难于选择，可选用15kV电容两个串联，15kV电容市面上也有相应的匹配。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种大功率高压加速器电源，其特征在于：包括整流滤波模块、PFC控制模块、全桥逆变模块、LLC谐振模块、倍压整流模块以及主控模块(6)；
所述整流滤波模块的输出端与PFC稳压模块的输入端连接；所述PFC稳压模块的输出端与全桥逆变模块的输入端连接；所述全桥逆变模块的输出端与LLC谐振模块的输入端连接；所述LLC谐振模块的输出端与倍压整流模块的输入端连接；所述倍压整流模块的输出端分别设有第一输出口(11)以及第二输出口(12)；
所述PFC控制模块包括开关管Q1、二极管D18、电感L1、开关管Q2、二极管D5以及电容C1；所述开关管Q1的开关端分别与整流滤波模块的输出端以及电感L1的一端连接；所述电感L1的另一端通过二极管D5与全桥逆变模块的输入端连接；所述开关管Q2的开关端分别与所述电感L1的另一端以及二极管D18连接；所述二极管D18与电感L1的一端连接；所述开关管Q1的控制端、开关管Q2的控制端以及全桥逆变模块分别与主控模块(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述整流滤波模块包括整流桥(3)以及与整流桥(3)输出端连接的滤波电容C15。
3.根据权利要求1所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述全桥逆变模块包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5以及开关管Q6；所述开关管Q3的源极与开关管Q4的源极连接；所述开关管Q5的漏极与开关管Q6的漏极连接；所述开关管Q3的漏极与开关管Q5的源极连接；所述开关管Q4的漏极与开关管Q6的源极连接；所述开关管Q3的漏极以及开关管Q4的漏极分别与LLC谐振模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述LLC谐振模块包括高频变压器T1、电感L2以及电容C2；所述高频变压器T1的原边的两端分别通过电感L2以及电容C2后与全桥逆变模块连接；所述高频变压器T1的副边与倍压整流模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述倍压整流模块包括正向倍压整流组(21)以及负向倍压整流组(22)；所述高频变压器T1副边的一端接地；所述高频变压器T1副边的另一端分别通过正向倍压整流组(21)以及负向倍压整流组(22)后与高频变压器T1副边的一端连接；所述第一输出口(11)设于正向倍压整流组(21)的输出端；所述第二输出口(12)设于负向倍压整流组(22)的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述正向倍压整流组(21)均包括多个正向阶级以及多个负向阶级；所述正向阶级包括正向电容(41)以及正向二极管(42)；所述负向阶级包括负向电容(51)以及负向二极管(52)；所述正向电容(41)与正向二极管(42)的负极连接；所述正向二极管(42)的正极与高频变压器T1副边的一端连接；所述正向二极管(42)的负极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向电容(51)与负向二极管(52)的负极连接；所述负向二极管(52)的负向与高频变压器T1副边的一端连接；所述负向二极管(52)的正极与高频变压器T1副边的另一端连接；所述负向阶级与正向阶级交错设置。
7.根据权利要求6所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述正向阶级还包括设于正向电容(41)与正向二极管(42)之间的正向电阻(43)；所述负向阶级还包括设于负向电容(51)与负向二极管(52)之间的负向电阻(53)。
8.根据权利要求4所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述大功率高压加速器电源还包括电压采集模块以及电流采集模块；所述电压采集模块分别与高频变压器T1的副边以及主控模块(6)连接；所述电流采集模块包括采样电阻R10；所述采样电阻R10与高频变压器T1的副边连接；所述采样电阻R10与主控模块(6)连接。
9.根据权利要求6所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述正向二极管(42)以及负向二极管(52)的电流电压参数为200mA/25kV；所述正向电容(41)以及负向电容(51)的耐压性为30kV。
10.根据权利要求2所述的一种大功率高压加速器电源，其特征在于：所述整流滤波模块还包括热敏电阻NTC1；所述热敏电阻NTC1与滤波电容C15连接。
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