摘要：本文讨论了特种电源的要求和用途，详细论述了雷达发射机高压电源、电子束焊机用大功率高压电源、高压脉冲电源和加速器电源系统等几种类型的特种电源。

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

特种电源即特殊种类的电源。所谓特殊主要是由于衡量电源的技术指标要求不同于常用的电源，其主要是输出电压特别高，输出电流特别大，或者对稳定度、动态响应及纹波要求特别高，或者要求电源输出的电压或电流是脉冲或其它一些要求。这就使得在设计及生产此类电源时有差比普通电源有更特殊甚至更严格的要求。

特种电源一般是为特殊负载或场合要求而设计的，它的应用十分广泛。主要有：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。而在国防及军事上，特种电源更有普通电源不可取代的用途，主要用于：雷达导航、高能物理、等离子体物理及核技术研究等。

可见特种电源就是运用电力电子技术及一些特殊手段，将发电厂或蓄电池输出的一次电能，变换成能满足对电能形式特殊需要的场合要求而设计的电源。本文仅介绍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、几种类型的特种电源

2.1雷达发射机用的高压电源

在现代雷达发射机中，用行波管(TWT)作为微波功率放大器件占有很大的比例,作为高功率部分,它的可靠性与技术指标如何,对雷达发射机乃至整个雷达有着直接的影响.而支撑着行波管的高压电源(系统)更显得至为重要.

开关电源技术作为一种高频、高效电力电子技术, 随着电子元器件、产品的不断更新,大功率器件的更新换代, 大功率开关电源技术得到了发展。本文所介绍的雷达行波管用高压开关电源,采用全桥谐振PWM调制方式, 大功率开关器件采用先进的IGBT模块及先进可靠的驱动电路，使得电源的整体性能良好， 稳定度好, 并且具有各种保护功能。

电源电路由以下几部分组成：1)电网滤波器,2) 整流滤波,3)全桥变换器,4)高压变压器,5)高压整流滤波,6)脉宽调制与控制电路,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,经整流及滤波得到500多伏的直流电压,供给串联谐振变换器。由于本电源输出高达20KV，为了减轻变压器的设计难度以及减小高压整流二极管的耐压值、提高电源的可靠性，我们采用变压器两个次级分别全桥整流,然后叠加输出。全桥变换器由四个IGBT、一个高频变压器及整流电路组成。控制电路提供两对彼此绝缘、相位相差1800的脉冲输入到IGBT驱动电路，控制IGBT的通断。将直流电压变换成为交变的20KHZ脉冲电压，经变压器及全桥整流和滤波电路，得到几十KV的电压。

2.2电子束焊机用大功率高压电源

电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。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，该电子在高压静电场的加速下在通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热量，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。高压电源是设备的关键技术之一，它主要为电子枪提供加速电压，其性能好坏直接决定电子束焊接工艺和焊接质量。电子束焊机用高压电源与其它类型的高压电源相比，具有不同的技术特性,技术要求主要为纹波系数和稳定度，纹波系数要求小于1%，稳定度为±1%，甚至纹波系数小于0.5%，稳定度为±0.5%，同时还重复性要求小于0.5%。以上要求均根据电子束斑和焊接工艺所决定。电子束焊机用高压电源在操作是必须与有关系统进行连锁保护，主要有真空连锁、阴极连锁、闸阀连锁、聚焦连锁等，以确保设备和人身安全。高压电源必须符合EMC标准，具有软起动功能，防止突然合闸对电源的冲击。

这种电源由于功率大(达30kW)，输出电压高(150kV)，工作频率较高(20kHz)，而对稳定精度、纹波及电压调节率均有较高的要求。选用先进的三相全控可控整流技术、大功率高频逆变器，用新型功率器件IGBT作为功率开关。三相全控可控整流和逆变器各自采用独立的控制板，IGBT驱动采用进口厚膜驱动电路，加上输入电网滤波器和平波电抗器及电容组成的滤波电路。使电源的功率变换部分具有较好的技术先进性和良好的功率变换性。

高压部分：高压变压器磁芯采用较新的非晶态材料，采用独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，其发射部分一般都需要一高电压、窄脉冲，不同重复频率的强功率脉冲源，这种强功率脉冲源一般通过一个高压电源将市电升为几千伏至几十千伏直流高压，然后由一个调制器将直流高压调制为所需脉宽及频率的脉冲源以供发射管使用。本文介绍的高压脉冲源主要由高压电源及调制器组成，高压电源系用开关稳压电源，调制器系用半导体固态器件。

脉冲源主要由高压电源及调制器部分组成，高压电源采用开关稳压电源，调制器采用半导体器件的固态调制器。

使用方给出的触发脉冲是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，二是为了与隔离变压器匹配。为了达到隔离的目的，使用方可提供此接口电路的电源，制造方只需提出电源需求并在电路中设计相应的变换、滤波电路即可。

触发脉冲经过脉冲变压器隔离后经过预调器脉冲整形，功率放大后去触发调制板和截尾板工作。由预调器产生的激励脉冲经过变压器隔离去驱动调制板的每一只场效应管，此时调制板导通高压电源送到微波三极管的阳极，微波三极管的阴极电子开始发射，微波三极管将送入输入端的小工率高频信号放大成大功率的高频信号。当脉冲结束时，由预调器产生的截尾脉冲去触发截尾板，截尾板导通后将微波三极管的分布电容释放，所以可以得到很好的脉冲后沿)。

2.4 在医学领域的应用

在医学领域，许多医疗设备都需要高压电源或高压脉冲电源、典型的如CT 机、X射机光机等。本文介绍一种在神经和精神疾病治疗领域中高压脉冲电源的应用——经颅磁刺激系统。

根据电磁感应原理，一个随时间变化的均匀磁场在其所通过的空间内将产生感应电场。脉冲磁场通过生物组织产生感应电场，使生物组织内产生感应电流而达到刺激的效果。经颅磁刺激是利用时变磁场作用于大脑皮层产生感应电流，改变皮层神经细胞的动作电位，从而影响脑内代谢和神经电活动的生物刺激技术。

整个系统主要由主升压电路、充/放电回路(含控制部分)和刺激线圈电路等几部分组成。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、再整流电路，充/放电回路主要由储能电容、充/放电开关(可控硅)及单片机控制部分构成，控制充/放电电路的工作，同时提供操作接口。刺激线圈可采用单线圈和八字形两种线圈。

用以产生刺激生物组织的时变磁场的方法很多。目前，较常用的方法是通过电容器储存电能，再通过对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

用大功率高压电脉冲处理污水是利用在水中高电压(30～50千伏)、大电流(几十千安)脉冲放电产生的等离子体(自由基和紫外辐射)，及等离子体通道刚性条件下迅速膨胀产生的冲击波对污水中有机化和物的等离子体物理及电化学的复杂作用，使其降解为二氧化碳、水等简单分子，达到处理污水的目的。

本系统由高压电源、反应器和水路部分组成。如图2所示。

高压电源较为关键，它产生高压大电流脉冲。工作原理为，三相50HZ380V交流电，经高压电源变为电压为30～50千伏的直流高压，此直流高压储存在能量储存器内，高功率脉冲发生器将所储存的能量压缩为在短时间内可输出高电压大电流的强功率脉冲，以输送给反应器而发生等离子体作用。

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，经过若干次的循环后，可使含有污水达到排放标准。反应器的制作时应注意腔体可抵抗水的压力外，还应注意电板在里面的合理安排与布局，更重要的是还要注意有几十千伏的高压电要绝缘好。

对于水路部分，待处理的废水通过管道由阀门控制放入储水槽中，储水槽中的水由水泵压入反应器中，并由反应器上方的出水口“溢”到水槽中。经过若干次的循环，当水槽中的水达到排放标准后，打开阀门口排出去。

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态食品(如饮料、牛奶等)的杀菌，经高压脉冲电场杀菌加工的饮料具有安全、风味和口感近似新鲜饮料、营养好的特点，故此技术对食品加工厂家具有极大的吸引力，具有良好的市场前景。

高压脉冲电源食品杀菌装置的基本结构如图3所示：

如图3所示，液体食品的流量通过变量泵调节，脉冲电源的电压值、脉宽、脉间可由杀菌装置控制器进行控制;杀菌室的主要功能是将高压脉冲电场传递给流经此室的液体食品，内有冷却装置;在高压杀菌区域有温度传感器;在处理室内，两电极内部带有冷却管道，温度没有通过冷却管道内的循环冷却水加以调节，各种电参数，如作用在食品上的电压、电流波形，通过数据检测系统加以检测，为减少电磁场的干扰，示波器和计算机放置在屏蔽区域。

图3 杀菌装置结构框图

高压脉冲电源为双极性，如图4所示，它能提供正、负脉冲达到60KV、750A峰值，每个极都用独立供电电源和无触点开关，允许安全控制脉冲参数。用这个结构，脉宽、脉冲重复频率和正、负电压都是独立变量，且具有很宽的调节范围，这个系统功率限制在75KW，必要时，要避免正、负脉冲同时输出。

在这个单元中，每个无触点开关都是由多个串联的IGBT组成，这些所有的单个IGBT的开关能同时开和闭。并且电压通过这些开关来分配，用这种方法，每个开关操作为一个单独装置，在正常工作或过载期间，可根据开关所能通过的较大电压，来决定串多少个独立装置。

高压脉冲电源与杀菌室相连，用所期望的频率、电压缝值、产生连续不断的高压脉冲。

图4 高压脉冲电场系统方框图

2.7 高压电源在(塑料薄膜)材料表面处理中的应用。

塑料薄膜已经成为现代包装工艺的主流材料，具有透明、防潮、气密性好等突出优点。但大部分塑料薄膜属于非极性高分子材料，对油墨的亲和性都比较差，而且在形成过程中加入的增塑剂、引发剂、残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面形成无定性层，使塑料薄膜表面的润湿性能变差，所以在印刷前必须经过处理。

要进行这种处理，就需要用高频高压放电电源系统，它主要包括晶闸管可控整流电路、单相全桥IGBT逆变电路和高频升压变压器、检测电路、保护电路、上下位机电路和液晶显示等几个部分。三相交流电经过传统的相控整流后，通过电容滤波输入由IGBT管组成的单相全桥逆变电路。逆变电路的输出经过高频高压升压变压器升压后提供给放电负载。检测电路主要对输入电压、输入电流、负载电流、直流母线电压和电流、工作频率等量进行检测，以便实现显示和保护。系统具有完善的保护电路，主要包括：过流保护、逆变器失锁保护、缺相保护、错相保护、停转保护、放电架开启保护、绝缘介质击穿保护等。高频高压放电电源的主电路如图5所示。

选择适合的电参数和流体食品的流量，以使每单位食品体积经受足够数目的高压脉冲电场的作用，从而达到所希望的微生物细胞的致死率。

图5高频高压放电电源主电路

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。表面包有绝缘介质的滚筒接地，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，二极铁电源电流长期稳定度一般小于2′10-4/8小时，四极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，同时控制电路和测试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，平顶为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、平顶段、下降段、后平底段，每段之间用二次曲线光滑连接起来。

主环和实验环二极铁电源及部分大功率四极铁电源，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，在平顶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测试波形。