CN217935466U - 高频高压型加速器用固态电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高频高压型加速器用固态电源，包括有相互连接的整流调压部以及高频输出部；所述整流调压部包括有依次设置的三相全波整流器、LC滤波器、IGBT模块以及直流滤波器；所述高频输出部包括有依次设置的逆变模块组、高频升压变压器组以及LC谐振滤波电路，所述逆变模块组包括有至少一组相互并联的逆变模块；所述直流滤波器与所述逆变模块组连接，所述LC谐振滤波电路将正弦波输入高频高压型加速器负载。通过半导体器件引入来替代传统电子管技术，以此来提高电能转化效率，降低冷却功率，提升节能水平，提高了实用寿命；同时采用了功率合成技术，总功率源由两组或多组逆变模块合成，进一步提升设备的可靠性，稳定性。

Description

高频高压型加速器用固态电源

技术领域

本实用新型属于电子加速器制造技术领域，涉及一种高频高压型加速器用固态电源。

背景技术

高频高压型加速器，是一种中能直流高压型加速器，在世界上应用范围最广，性能比较稳定，是目前辐射加工领域应用最广泛的加速器类型。其具有束流能量高、输出功率大、高压纹波小，以及静电储能小、内阻低、结构紧凑、工作稳定可靠、检修方便等优点，但同时也因其结构特性和电源特性，导致其整机电能效率较为低下。根据以往机型的统计，高频高压型电子加速器的高频机振荡效率在65％左右。首先其电能损耗较大，与目前倡导的节能减排，碳中和的理念相冲突；其次，与其他变压器型静电加速器在整机效率上也缺失市场竞争力。

随着半导体技术的发展，采用半导体元器件的固态高频电源以其较高电能转换效率、较小的体积、灵活的控制方案和便捷的维修等优势，逐步取代以电子管为主要元件的高频设备在高频热处理、高频焊管以及无线电广播等领域广泛使用。

发明内容

鉴于此，本实用新型提供了一种高频高压型加速器用固态电源用于替代原高频高压型加速器的电子管功率源以提升整机电能转化效率和稳定性可靠性。

为完成上述实用新型目的，本实用新型提供一种高频高压型加速器用固态电源，包括有相互连接的整流调压部以及高频输出部；

所述整流调压部包括有依次设置的三相全波整流器、LC滤波器、IGBT模块以及直流滤波器；

所述高频输出部包括有依次设置的逆变模块组、高频升压变压器组以及LC谐振滤波电路，所述逆变器模块组包括有至少一组相互并联的逆变模块，所述高频升压变压器组包括有至少一个高频升压变压器；

所述直流滤波器与所述逆变模块组连接，所述LC谐振滤波电路将正弦波输入高频高压型加速器负载。

进一步具体的，所述逆变模块为由四桥臂组成的H型逆变器。

进一步具体的，所述H型逆变器包括有MOS管、与所述MOS管串联的反向二极管以及与所述MOS管反并联的续流二极管。

进一步具体的，所述逆变模块设置三组。

进一步具体的，所述高频升压变压器的数量与所述逆变模块的数量一致，且一一对应连接。

进一步具体的，所述高频升压变压器的初级与所述逆变模块连接，次级之间串联设置。

进一步具体的，所述高频升压变压器的磁芯采用铁氧体功率材料环氧真空浇筑而成。

进一步具体的，所述LC谐振滤波电路设置为感性负载。

进一步具体的，所述LC谐振滤波电路设置为四阶串并联谐振式滤波器。

进一步具体的，所述高频输出部还包括有锁频锁相控制电路。

本实用新型一种高频高压型加速器用固态电源，目的在于将在热处理领域相对成熟的固态高频电源技术通过技术手段应用到高频高压型加速器中去，通过半导体器件引入来替代传统电子管技术，以此来提高电能转化效率，降低冷却功率，提升节能水平，提高了实用寿命；同时采用了功率合成技术，总功率源由两组或多组逆变模块合成，在某一逆变模块故障后不运行其他逆变模块只是降低功率输出而不会导致电源彻底故障，若想要功率不变，则可直接运行其他并联在一起的逆变模块，进一步提升设备的可靠性，稳定性。

附图说明

下面将参考附图对本申请的示例性实施例进行详细说明，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本申请，而不对本申请的范围作出限制，所附附图中：

图1是本实用新型的固态电源逻辑框图；

图2是本实用新型的高频输出部原理图；

图3是本实用新型的单个H型逆变器工作原理图；

图4是本实用新型的两组逆变模块的高频输出部原理图；

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

应当理解，附图仅用于对本申请进行示例性说明。

一种高频高压型加速器用固态电源，如图1所示，包括有相互连接的整流调压部以及高频输出部；具体涉及一台功率为120KW，匹配加速器负载频率为120KHz的高频高压型加速器用固态电源。

所述整流调压部包括有依次设置的三相全波整流器、LC滤波器、IGBT模块以及直流滤波器。380V的市电三相工频电源输入后经所述三相全波整流器整流为直流，所述三相全波整流器内的可控硅全导通电压约513V，再经所述LC滤波器滤波后输入IGBT模块，通过IGBT模块的PWM占空比信号给定进行电压调节，可设定最高直流电压达450V，再经过直流滤波器的平波、限流等作用，最后输出可调节的低压到逆变模块组的输入端。

如图1、图2以及图4所示，所述高频输出部包括有依次设置的逆变模块组、高频升压变压器组、LC谐振滤波电路以及锁频锁相控制电路，整流调压部输出的低压作为逆变模块组的输入信号，每个逆变模块输出接入相应的高频升压变压器初级，所述高频升压变压器次级以串联形式连接以得到经升压后的百千赫兹级高压。再经过LC谐振滤波电路将高频变压器输出的准方波进行滤波，将方波中的高次谐波滤除以获得较好的正弦波，最终通过高压电缆输入到高频高压型加速器负载，满足加速器负载工作的输入电源需求。

如图2、图4所示，所述逆变模块组包括有至少一个相互并联的逆变模块，例如若一个逆变模块的功率为xkW，在想要总功率为x(n-1)kW时，可以设置n个逆变模块并联，第n个逆变模块为备用逆变模块，也可以设置n+1个逆变模块，第n个和第n+1个逆变模块为备用逆变模块，具体工作逆变模块的数量和备用逆变模块的数量根据需要的功率自行设置。在本方案中，所述逆变模块组设置三组并联，分别为并联设置的第一逆变模块、第二逆变模块以及第三逆变模块，两组所述逆变模块用于常规使用，为功率为≥60kW的H型逆变模块并联成为总功率为120kW的逆变模块组，第三逆变模块用作备用逆变模块，在常规使用的两组逆变模块有损坏时，可以将损坏的一组断开，仅使用一组逆变模块，也可以替换为第三逆变模块，保证有两组逆变模块共同工作。功率合成的有益效果在于，当单个逆变模块出现故障时，可以将其断开，单用另一组逆变模块也能使电源工作，只是总功率会降半，配备一组备用逆变模块用于故障时替换，保持功率不变，大大提升了电源的可靠性，降低了故障率。由于采用半导体器件替换了低寿命大损耗的电子管器件，更是大大提升了电源的易损件的使用寿命，大大减低了电源设备的维修成本。每个逆变模块都由四桥臂组成H型逆变器。

如图3、图4所示，所述H型逆变器包括有四个桥臂，分别为设置在左上含有第一MOS管Q1的为第一桥臂，设置在右上含有第二MOS管Q2的为第二桥臂，设置在右下含有第三MOS管Q3的为第三桥臂，设置在左下含有第四MOS管Q4的为第四桥臂，所述第一桥臂包括有第一MOS管Q1、与所述第一MOS管Q1串联的第一反向二极管D1以及与所述第一MOS管Q1反并联的第一续流二极管D2。所述第二桥臂包括有第二MOS管Q2、与所述第二MOS管Q2串联的第二反向二极管D3以及与所述第二MOS管Q2反并联的第二续流二极管D4。所述第三桥臂包括有第三MOS管Q3、与所述第三MOS管Q3串联的第三反向二极管D5以及与所述第三MOS管Q3反并联的第三续流二极管D6。所述第四桥臂包括有第四MOS管Q4、与所述第四MOS管Q4串联的第四反向二极管D7以及与所述第四MOS管Q4反并联的第四续流二极管D8。通过控制芯片产生MOS管的驱动信号，实现逆变模块中的第一MOS管Q1、第三MOS管Q3与第二MOS管Q2、第四MOS管Q4的电压电流波形相同，但相位相差180°。反向二极管用于防止MOS管承受反向电压，续流二极管为桥臂的续流提供通路。

如图2、图4所示，所述高频升压变压器组包括有至少一个高频升压变压器，所述高频升压变压器的数量与所述逆变模块的数量一致，且一一对应连接，也即第一逆变模块与第一高频升压变压器T1连接，第二逆变模块与第二高频升压变压器T2连接，第n逆变模块与第n高频升压变压器Tn连接。所述高频升压变压器的初级与所述逆变模块连接，次级之间串联设置，也即第一逆变模块的输出端连接第一高频升压变压器T1的初级，第二逆变模块的输出端连接第二高频升压变压器T2的初级，第n逆变模块的输出端连接第n高频升压变压器Tn的初级，第一高频升压变压器T1的次级、第二高频升压变压器T2的次级以及第n高频升压变压器Tn的次级串联，以达到所需高压输出要求。在本方案中，第三逆变模块及第三高频升压变压器作为备用在第一、二逆变模块没有故障时不运行，在第一逆变模块或者第二逆变模块出现故障时启用。所述高频升压变压器采用满足使用百千赫兹频率要求的铁氧体功率材料(PC95)做磁芯经环氧真空浇铸而成，具有效率>95％、高可靠性、高耐压、高Q值、低漏感、低分布电容等优点。

如图2、图4所示，所述LC谐振滤波电路，为实现逆变模块中MOS管的零电压开关(ZVS)，将谐振滤波器设计成感性的，也即在阻性或感性负载的情况下，要使所述高频升压变压器的初级电压超前初级电流；为对高频变压器输出的准方波进行滤波，将方波中的高次谐波滤除以获得较好的正弦波，采用四阶或高于四阶的谐振式滤波器，在本方案中，为了减小滤波器的体积，选用四阶串并联谐振式滤波器。串联电感Ls和串联电容Cs为串联谐振，并联电感Lp和并联电容Cp为并联谐振，经过LC谐振滤波电路选频和陷波这两个谐振环节来实现对方波高次谐波的滤除作用。此外为便于寻找匹配加速器负载的最优的串并联谐振频率点，在初次调试时采用可变电容和可变电感。

如图1、图2以及图4所示，所述锁频锁相控制电路设置在加速器负载与逆变模块组的回路上，通过在谐振回路上设置取样磁环反馈谐振点频率数据给控制器芯片以设置并锁定逆变模块的工作谐振频率和相位，以适应加速器负载变化引起的效率最高点谐振频率的变化。

本实用新型一种高频高压型加速器用固态电源，目的在于将在热处理领域相对成熟的固态高频电源技术通过技术手段应用到高频高压型加速器中去，通过半导体器件引入来替代传统电子管技术，以此来提高电能转化效率，降低冷却功率，提升节能水平，提高了实用寿命；同时采用了功率合成技术，总功率源由两组或多组逆变模块合成，在某一逆变模块故障后不运行其他逆变模块只是降低功率输出而不会导致电源彻底故障，若想要功率不变，则可直接运行其他并联在一起的逆变模块，进一步提升设备的可靠性，稳定性；设置所述高频升压变压器可以大大提升从逆变模块输出的电压值，且所述高频升压变压器的次级串联，成倍增加了输入到加速器负载中的电压值，满足加速器负载需要的高压。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：包括有相互连接的整流调压部以及高频输出部；

所述整流调压部包括有依次设置的三相全波整流器、LC滤波器、IGBT模块以及直流滤波器；

所述高频输出部包括有依次设置的逆变模块组、高频升压变压器组以及LC谐振滤波电路，所述逆变模块组包括有至少一组相互并联的逆变模块，所述高频升压变压器组包括有至少一个高频升压变压器；

所述直流滤波器与所述逆变模块组连接，所述LC谐振滤波电路将正弦波输入高频高压型加速器负载。

2.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述逆变模块为由四桥臂组成的H型逆变器。

3.根据权利要求2所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述H型逆变器包括有MOS管、与所述MOS管串联的反向二极管以及与所述MOS管反并联的续流二极管。

4.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述逆变模块设置三组。

5.根据权利要求4所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述高频升压变压器的数量与所述逆变模块的数量一致，且一一对应连接。

6.根据权利要求5所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述高频升压变压器的初级与所述逆变模块连接，次级之间串联设置。

7.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述高频升压变压器的磁芯采用铁氧体功率材料环氧真空浇筑而成。

8.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述LC谐振滤波电路设置为感性负载。

9.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述LC谐振滤波电路设置为四阶串并联谐振式滤波器。

10.根据权利要求1所述的高频高压型加速器用固态电源，其特征在于：所述高频输出部还包括有锁频锁相控制电路。

Images