特殊而广泛使用的电源-特殊电源

摘要：特种电源是指不同于普通电源（如高压输出、大电流输出、脉冲输出等）的特殊指标和特殊用途（如电池充电、感应加热、电镀电解电试验、空气净化、食品灭菌、医疗设备、环保除尘、电子加速器、雷达导航等）的电源装置。特殊的集成电源也有"新、特、奇、广"其特点明显，电路新颖，功能奇特，性能先进，种类繁多，设计领域广泛。与普通电源相比，对特种电源的一些要求更为严格。特种电源通常由制造商定制。

本文讨论了雷达发射机高压电源、电子束焊机大功率高压电源、高压脉冲电源和加速器电源系统的要求和用途。

关键词：特种电源 高压电源 脉冲电源 行波管 雷达 电子束 加速器

1、概述

特殊电源是特殊类型的电源。所谓的特殊性主要是由于测量电源的技术指标不同于常用电源，主要是输出电压特别高，输出电流特别大，或稳定性、动态响应和纹波要求特别高，或电源输出的电压或电流是脉冲或其他要求。这使得这些电源的设计和生产比普通电源更特殊甚至更严格。

特种电源通常是为特殊负载或场合设计的，应用广泛。主要包括：电镀电解、阳极氧化、感应加热、医疗设备、电力操作、电力试验、环保除尘、空气净化、食品灭菌、激光红外、光电显示等。在*和军事方面，特种电源主要用于雷达导航、高能物理、等离子体物理和核技术研究。

可以看出，特殊电源是利用电力电子技术和一些特殊手段将电厂或电池输出的一次性电能转换为满足特殊电能形式需求的电源。本文仅介绍了具有广泛代表性的高压电源、脉冲电源和加速器电源系统。

2、几种特殊电源

2.1雷达发射机高压电源

在现代雷达发射机中使用行波管(TWT)作为微波功率放大器件，作为高功率部件，其可靠性和技术指标直接影响雷达发射机甚至整个雷达.支撑行波管的高压电源(系统)更为重要.

开关电源技术作为一种高频高效的电力电子技术，随着电子元件和产品的不断更新和大功率设备的更新，发展了大功率开关电源技术。本文介绍了雷达波管用高压开关电源，采用全桥谐振PWM大功率开关设备采用先进的调制方法IG模块和先进可靠的驱动电路使电源具有良好的整体性能、稳定性和各种保护功能。

电源电路由以下部分组成:1)电网滤波器，2) 整流滤波器，3)全桥变换器，4)高压变压器，5)高压整流滤波器，6)脉宽调节控制电路，7)驱动电路，8)保护电路等。

工作原理：将50HZ三相380V通过电网滤波器，通过整流和滤波器获得500伏以上的直流电压，提供串联谐振变换器。由于电源输出高达20KV，为了降低变压器的设计难度，降低高压整流二极管的耐压值，提高电源的可靠性，我们使用变压器进行整流，然后叠加输出。整个桥梁变换器由四个变换器组成IG、由高频变压器和整流电路组成。控制电路提供两对绝缘相差1800的脉冲输入IG驱动电路，控制IG通断。将直流电压转换为交变20KHZ脉冲电压通过变压器和整个桥梁的整流和滤波电路获得KV的电压。

2.2大功率高压电源电子束焊机

电子束焊接广泛应用于航空**、原子能、*和**、汽车和电气电气仪器等行业，因为它具有无焊条、不易氧化、工艺重复性好、热变形小的优点。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子。在高压静电场的加速下，电子可以通过聚焦电磁场形成高能密度的电子束。用这种电子束轰击工件，巨大的动能转化为热量，熔化焊接处的工件，形成熔池，从而实现工件的焊接。高压电源是设备的关键技术之一，主要为电子枪提供加速电压，其性能直接决定了电子束焊接工艺和焊接质量。与其他类型的高压电源相比，电子束焊机具有不同的技术特点。技术要求主要是纹波系数和稳定性，纹波系数小于1%，稳定性为±1甚至纹波系数也小于%0.5稳定性为%±0.5同时，重复性要求小于%0.5%。上述要求根据电子束点和焊接工艺确定。电子束焊机的高压电源必须与相关系统进行连锁保护，主要包括真空链、阴极链、闸阀链、聚焦链等，以确保设备和人身安全。高压电源必须满足要求EMC具有软启动功能的标准，防止电源突然关闭。

由于这种电源的高功率(达达)30kW)，输出电压高(150kV)，工作频率高(20kHz)，对稳定精度、纹波和电压调节率有较高的要求。采用先进的三相全控整流技术、大功率高频逆变器和新型功率设备IG作为功率开关。三相全控可控整流和逆变器采用独立控制板，IG驱动由进口厚膜驱动电路、输入电网滤波器、平波电抗器和电容器组成的滤波电路。使电源的功率转换部分具有良好的技术先进性和良好的功率转换性。

高压部分：高压变压器磁芯采用较新的非晶态材料，采用*特的高频高压绕制工艺，双高压变压器叠加工作。先进的整流和合理的倍压电路以及高压均压技术保证高压电源的高压部分稳定可靠，反馈及高压指示信号用精密的分压器，由高压输出端直接采样，保证电源有很高的稳压精度、电压调整率和准确可信的高压测量精度。采用合理的高压滤波技术，保证电源有良好的纹波。高压部分放在一个油箱内。

2.3高压脉冲电源

在雷达导航设备中，其发射部分一般需要不同重复频率的高压、窄脉冲和强功率脉冲源。这种强功率脉冲源通常通过高压电源将市电升高到几千伏到几十千伏的直流高压，然后由调节器将直流高压调节为发射管所需脉宽和频率的脉冲源。本文介绍的高压脉冲源主要由高压电源和调节器组成。高压电源是开关稳压电源，调节器是半导体固态设备。

脉冲源主要由高压电源和调制器组成。高压电源采用开关稳压电源，调制器采用半导体器件固态调制器。

用户给出的触发脉冲是TTL电平的信号，应在输入隔离变压器前增加接口电路，此接口电路一是为了预放大TTL脉冲信号，二是匹配隔离变压器。为了达到隔离的目的，用户可以提供接口电路的电源，制造商只需提出电源要求，并在电路中设计相应的变换和滤波电路。

脉冲变压器隔离后，通过预调器脉冲整形触发脉冲，放大功率后触发调制板和截尾板的工作。预调器产生的激励脉冲通过变压器隔离驱动调制板的每个场效应管。此时，调制板将高压电源输送到微波三极管的阳极，微波三极管的阴极电子开始发射，微波三极管将输入输入端的小工率高频信号放大成功率高频信号。当脉冲结束时，预调器产生的截尾脉冲触发截尾板，并释放微波三极管的分布电容获得良好的脉冲后沿）。

2.4 在医学领域的应用

在医疗领域，许多医疗设备需要高压电源或高压脉冲电源，例如CT 机、X射机光机等。本文介绍了经颅磁 系统。

根据电磁感应原理，随时间变化的均匀磁场会在通过的空间内产生感应电场。脉冲磁场通过生物组织产生感应电场，使生物组织产生感应电流并达到 效果。经颅磁 是一种影响大脑代谢和神经电活动的生物 技术。

整个系统主要由主升压电路、充/放电电路和 组成 线圈电路等部件。见图1。主升压电路包括功率因子校正、全桥逆变、升压变压器和再整流电路。充放电电路主要由储能电容器、充放电开关（可控硅）和单片机控制部件组成，控制充放电电路的工作，并提供操作接口。 线圈可采用单线圈和八字形线圈。

图1 系统的整体结构图

用以产生 生物组织变磁场的方法有很多。目前，较常用的方法是通过电容器存储电能，然后通过线圈放电产生脉冲电流，从而产生脉冲磁场。

2.5 大功率高压脉冲电源在污水处理中的应用

高功率高压脉冲污水处理是利用水中高压（30~50kV）、大电流（几十千安）脉冲放电等离子体（自由基和紫外线辐射），等离子体通道刚性条件下快速膨胀冲击波对污水中**化和等离子体物理和电化学的复杂作用，降解为二氧化碳、水等简单分子，达到污水处理的目的。

该系统由高压电源、反应器和水路组成。如图2所示。

高压电源是产生高压大电流脉冲的关键。工作原理是三相50HZ380V交流电，通过高压电源到30~50kV的直流高压，直流高压储存在能量储存器中，高功率脉冲发生器将储存的能量压缩成强功率脉冲，可以在短时间内输出高压和大电流，并将其输送到反应器。

反应器是一个密封的带有一组正、负电极的腔体。污水由腔体下方的进水口由水泵压入，经过一个反应过程后，由上方的出水口"溢"到储水槽，经过多次循环后，含污水可达到排放标准。反应器生产时，不仅要注意腔体能抵抗水的压力，还要注意电板内部的合理布置，更重要的是要注意几十千伏的高压电绝缘。

对于水路部分，待处理的废水通过管道由阀门控制，储罐中的水由水泵压入反应器，反应器上方的出口"溢"到水槽。经过几次循环，当水槽中的水达到排放标准时，打开阀门口排出。

2.6 高压脉冲电源在食品杀菌中的应用

高压脉冲电源杀菌技术的应用研究主要集中在液体食品（如饮料、牛奶等）的杀菌上。高压脉冲电场杀菌饮料具有安全、风味和口感相似的新鲜饮料和良好的营养特食品加工厂具有较大的吸引力，具有良好的市场前景。

如图3所示：

如图3所示，液体食品的流量由变量泵调节，脉冲电源的电压值、脉冲宽度和脉冲间可由灭菌装置控制器控制；灭菌室的主要功能是将高压脉冲电场传输给流经该房间的液体食品，并配备冷却装置；高压灭菌区域有温度传感器；在处理室内，两个电极内部有冷却管，温度不通过冷却管内的循环冷却水进行调节。通过数据检测系统检测作用于食品的各种电气参数，如电压和电流波形。为了减少电磁场的干扰，示波器和计算机被放置在屏蔽区域。

如图4所示，高压脉冲电源可提供正负脉冲60KV、750A峰值时，每个较都使用独立的电源和无触点开关，允许脉冲参数的安全控制。在此结构中，脉冲宽度、脉冲重复频率、正负电压是独立的变量，调整范围广，系统功率限制在75KW，必要时，避免同时输出正负脉冲。

在这个单元中，每个无触点开关都是多个串联的IG所有这些单个组成IG开关可以同时打开和关闭。此外，电压由这些开关分配。这样，每个开关都可以作为一个单独的装置操作。在正常工作或过载期间，可以根据开关可以通过的较大电压确定多少独立装置。

高压脉冲电源与杀菌室相连，产生预期频率、电压接头值、连续高压脉冲。

2.7 高压电源在(塑料薄膜)材料表面处理中的应用。

塑料薄膜已成为现代包装工艺的主流材料，具有透明、防潮、气密性好等**优点。但大多数塑料薄膜属于非极性聚合物材料，油墨亲和力差，在增塑剂、引发剂、残留单体、降解等低分子材料的形成过程中容易沉淀，聚集在材料表面形成无定性层，使塑料薄膜表面润湿性能差，印刷前必须处理。

这种处理需要高频高压放电电源系统，主要包括晶闸管可控整流电路、单相全桥IG逆变电路和高频升压变压器、检测电路、保护电路、上下机电路和液晶显示器。传统的相控整流后，通过电容滤波输入三相交流电源IG单相全桥逆变电路由管道组成。逆变电路的输出在高频高压升压变压器升压后提供给放电负载。检测电路主要检测输入电压、输入电流、负载电流、直流母线电压、电流和工作频率，以实现显示和保护。该系统具有完善的保护电路，主要包括：过流保护、逆变器锁保护、缺相保护、错相保护、停止保护、放电架开启保护、绝缘介质穿透保护等。高频高压放电源的主电路如图5所示。

选择合适的电参数和流体食品流量，使每个单位的食品体积能够承受足够数量的高压脉冲电场，从而达到预期的微生物细胞死亡率。

塑料薄膜表面处理系统示意图如图6所示。待处理的塑料薄膜通过电极装置的间隙进行处理。表面包裹着绝缘介质滚筒接地，并通过传动带和电动机的转轴相连。长条形的放电架与滚筒面平行，接高压电源。放电电极一般为多刀型，能提高载流子数量，增加放电面积。滚筒长度为160cm，介质层厚度为3m㈩。采用这一厚度是为了确保在高压下不被击穿。放电间隙为3mm，可以满足工业应用的要求。

2.8加速器电源系统

电源系统是加速器中一个重要组成部分，其主要功能是和负载一起为加速器提供所需的磁场和电场。这个电源系统绝大多数是高精度线性电源，几乎全部是直流稳流和直流稳压电源。其基本结构是开关电源和晶闸管相控电源。主要技术指标(长期电流稳定度，电流纹波等)要求很高，二较铁电源电流长期稳定度一般小于2′10-4/8小时，四较铁电源电流长期稳定度一般小于5′10-4/8小时。

直流电源主要采用以下技术方案：对于输出功率在50KW以上的二极磁铁电源和大的四极磁铁电源，采用了晶闸管相控整流技术，大部分为晶闸管12脉波整流技术，同时根据具体情况采用并联式有源滤波技术以抑制纹波。稳定度要求为5′10-6/8小时的主磁场电源采用24脉波晶闸管整流技术，同时控制电路和电路都采取了恒温措施。晶闸管相控电源技术成熟，性能稳定可靠，价格低廉。

原理简图如图7所示;对于50KW以下的中小功率电源全部采用高频开关技术，主要采用全桥零电压/零电流软开关技术、斩波电源，工作原理见图8。还有部分电源，特别是开关磁铁电源，需要电源输出电流在200ms的时间内完成从0到额定值的转换或从额定值到0的转换，因此这部分电源采用高频斩波技术，该电路能够有效吸收电流快速下降时磁铁负载产生的反向电压，工作原理见图9。对于注入引出系统的低压大电流电源采用多模块并联稳流技术，每个模块实际上是一个自己闭环工作的小功率开关电源，输出电流在100-250A，电压为10-30V，根据电源输出电流选择不同规格和不同数量的模块并联，所有模块受一个总的调节器控制，工作原理见图10。

脉冲电源实现方案与直流电源类似，对于输出功率在50KW以上的二极磁铁电源和大的四极磁铁电源，采用了晶闸管相控整流技术，中小功率电源则全部采用高频斩波技术。

图11为电源工作于脉冲模式时输出脉冲电流电压波形。每个脉冲上升和下降时间各为3秒，平**为1秒，平底10秒。电流波形实际上是一个梯形波，为便于电源实现，该梯形波分为五段：前平底段、上升段、平**段、下降段、后平底段，每段之间用二次曲线光滑连接起来。

主环和实验环二较铁电源及部分大功率四较铁电源，采用十二相或二十四相可控硅整流器实现，主要工作方式为整流/逆变方式。电源由十二相/二十四可控硅整流器、纹波反馈、无源滤波器、有源滤波器和电源控制器组成，图12为电源电气原理图。多相可控硅整流器通过多台变压器错相。电源调节器采用电压电流双闭环控制，电压环为内环调节，为了实现较快的响应速度和抑制电网电压波动的影响，电压环增益不高，但有较宽的带宽，外环为电流环，电源的精度主要由电流环决定，因此电流调节器增益很高，同时电流环带宽受到限制。为了进一步提高动态响应速度以及衰减纹波，主环二极磁铁电源在无源滤波器之后还使用了并联式有源滤波器，该滤波器是由多级斩波式开关电源串联组成，在电流上升下降段提供所需电流，以弥补晶闸管整流器响应较慢的缺陷，在平**和平底段作为有源滤波器工作。需要指出的是为了同时满足电源精度和良好动态特性的要求，必须精心选择电源调节器和滤波器的参数。

主环和实验环及其他系统的中小功率的电源，采用带倍频功能的高频双管斩波式开关电源。电路工作原理图如图 9所示。开关管工作频率为10KHz以上，电源工作频率则在20KHz以上，具有响应时间快、较小的纹波、体积小、效率高等优点。这种电路可以有效的减小电源对电网的影响，同时还低功率损耗、不存在开关元件的直通故障、可工作与二象限和四象限状态、电路简单等优点。通过控制两个开关管，实现能量反馈，此种电源既可工作于脉冲状态，也可工作于直流状态。双极性输出的主环和实验环中的校正线圈和校正磁铁电源，采用四象限输出的开关电源，不同的控制方式便可实现输出极性的改变或输出电流从正到负的连续变化。

在注入引出系统中，主要包括踢轨电源(KICKER)、突凸轨电源(BUNPER)、静电偏转板电源。其工作原理与波形与普通磁铁电源完全不一样。KICKER电源要求电流脉冲上升沿在150ns以内，周期重复工作，主要用于主环快引出; BUMPER也是以较快脉冲工作，但要求电流在60-20us内从额定值下降到0，且四台BUMPER必须同步，该种电源主要用于主环注入系统中;静电偏转板电源全部是150KV高压直流稳压电源，主要用于慢引出。 图15-18为KICKER和BUMPER电源工作原理图以及相应的波形。