1引言
随着人民物质生活不断提高，人们对健康的理念也在不断更新，食品对人的健康和安全更加引起人们的关注和重视，一些欧美发达国家，对食品的质量制定了更高更严格的标准。在科学技术日新月异发展的时代，在市场迫切需求情况下，生物辐照技术也就应运而生了。目前，国内外在食品加工过程中，广泛采用了具有杀毒灭菌作用的生物辐照技术，这大大改善了食品的品质，提高了食品的安全性。直流70KV加速管电子枪高压电源，是生物辐照工程装置中的一个重要设备，其电压高低直接影响加速管的辐照计量。为了满足不同辐照食品的计量要求，需要电子枪高压电源能在大范围内持续可调。高压开关变压器是70KV电子枪高压电源中的关键元件，其设计优劣将直接影响到整个生物辐照工程装置的各项技术性能指标，因此需要精心设计，且通过工程实践不断加以改进。
2高压电源的主电路选择
电子枪直流高压电源采用380V/50Hz、三相四线输入，最高输出电流电压为负极性70KV，加速管电子枪的束流负载脉冲电流约为1A，脉冲宽度不大于5μs，在加速管负载束流条件下，输出电压稳定度优于0.3%，输出直流高压在满足稳定度要求时，连续可调范围不小于-40KV～-70KV。另外，电源还要满足加速管的正常使用和加速管电子枪真空锻练两种状态。由于加速管是脉冲工作方式，且整个生物辐照工程装置需要根据辐照物的传输情况，处于长期待机状态，因此，要求高压电源具有较好的空载特性。为保证直流70KV高压输出，不宜采用常规的串联谐振电路，为了减小高压开关变压器的分布电容，必须减小开关变压器的初次级变比，故高压开关变压器输出的整流电路采用科克罗夫特倍压整流，其电路图如图1所示：
图1中，T为高压开关变压器，C1～C5为倍压电容器，V1～V5为倍压整流管， cont为高压储能电容器，其作用是提供脉冲峰值电流，以改善电源输出特性，保证0.3%的稳定度，R为高压压敏电阻，其耐压值低于高压开关变压器耐压值，作用是当负载电子枪瞬间打火时，防止-70KV高压突然耦合到开关变压器的次级上，从而保护开关变压器不受损坏。
3高压开关变压器设计
开关变压器的技术参数是：输入变换器形式为全桥，初级电压UP1=400V～480V，初级电流有效值I1=8A，初级谐振电感约140μh，初次级绕组变比 n=1:48，工作频率 f=10kHZ～20kHZ，工作比α=0.4，次级绕组起端接地，末端为高压端输出，整流电路为科克罗夫特倍压整流，最高直流-70KV输出（见图1），要求高压开关变压器分布电容小，次级绕组末端对初级绕组及“地”高压绝缘大于交流33KV。
3.1结构形式
科学、合理的整体结构形式是高压开关变压器设计成败的关键，本开关变压器的整体设计基于以下几点考虑：
a.根据工作频率、功率容量、高压绝缘和减小开关变压器分布电容的要求，铁心宜采用低铁损类铁基超微晶材料，且是矩形形状，并用带底座的铜盒作保护。
b.由于串在初级的谐振电感稍大，故开关变压器的漏感允许大一些，以致可以省掉谐振电感，而重点考虑的是高压绝缘和减小开关变压器的分布电容。为此，初次级绕组可以各绕制在矩形铁心的两边。
c.考虑小型化，本高压开关变压器采用整体环氧树脂灌注形式，铁心外绕完初次级后装入模具，用环氧树脂一次真空灌注而成。
3.2铁心的选择
a.变压器计算功率
变压器计算功率P1=（UP1×I1）/η＝480×8/0.95=4042（W），式中η为变压器效率。
b.磁心结构常数
变压器所需磁心结构常数Y= {（Pt2×α3×Z）/（1.78×Bm2×f2×q）}0.714={（40422×0.43×2.17）/（1.78×0.42×200002×0.035）}0.714 = 0.67（cm5），式中Z为铜耗因子，Z=1.96×{（234.5+τ2+△τ）/（234.5+τ2）} =2.17，Bm为脉冲磁感应增量（T），q为单位散热表面功耗（W/cm2）。
c.初选铁心
由于开关变压器次级为高压输出，故铁心结构常数Y值需适当增大，特别是铁心的窗口宽度和窗口高度要加大，以满足高压绝缘和减小开关变压器分布电容的要求，其形状尺寸见图2。
铁心的技术指标如下：
占空系数KC＞0.7；
饱和磁感应BS＞1.15T；
矫顽力HC＜2.4A／H；
铁心损耗P C＜35W／kg（在Bm=0.5T，f=20KHZ时测试）。
实际磁心结构常数Yc=（AC2×Sw×Km）/Lm=（3.52×58×0.03）/18=1.18（cm5），
式中AC为铁心有效截面积（cm2），Sw为铁心窗口面积（cm2），Km为铜线占空系数，
Lm为线圈平均匝长（cm2）。
3.3导线材料的选用
a.初次级有效电流
初级有效电流  I1=8A；
次级有效电流  I2= I1/n=8/48=0.17A。
b.确定导线规格
根据导线穿透深度要求和考虑其它因数，初级导线宜选用多股高频绕组线ф0.07×49根两股并联，导线截面积Sm1=3mm2，次级导线采用了高强度聚脂漆包线ф0.35，导线截面积Sm2=0.096mm2，则初级电流密度J1= I1/Sm1=8/3=2.67（A/mm2），次级电流密度J2= I2/Sm2=0.17/0.096=1.77（A/mm2）。
3.4绕组排列分布
a.初次级绕组匝数
N1=104（Up1×α）/（2×Bm×f×Ac）=（480×0.4×104）/（2×0.4×20000×3.5）=34匝
N2= N1×n=34×48=1632匝
b.绕组排列分布
高压开关变压器设计的重点是如何减小分布电容和保证高压绝缘，基于上述考虑，初次级绕组排列分布如下：
①为减小高压绕组和低压绕组之间的分布电容，确保高压绕组和低压绕组之间的绝缘，需将初级绕制在矩形铁心的一边，次级绕制在矩形铁心的另一边，并留足初次级间的距离，最后用环氧树脂灌注作主绝缘。
②为减小高压绕组的分布电容，需采用次级分段绕制方法，由多个绕组串接而成。
③为确保次级绕组与铁心间的高压绝缘和次级绕组层间绝缘，均采用杜邦公司生产的聚芳纤维纸和环氧树脂灌注料的复合介质绝缘。
④次级绕组起端为低电位，离铁心端空距离较小，而次级绕组末端为高电位，需留足离铁心端的绝缘距离，最后用环氧树脂灌注作绝缘。
绕组排列分布示意图见图3。
3.5设计中应注意的几个问题
高压开关变压器设计采用的是铁心外分别绕制初次级后，整体用环氧树脂一次真空灌注而成的结构，为防止环氧树脂开裂和绝缘击穿，设计中应注意几个问题并采取相应的措施。
a.由于铁心和铜保护盒是金属材料，与环氧树脂绝缘材料两者膨胀系数不一样，尤其是较大功率的铁心，在环氧树脂灌注过程中出现热胀冷缩情况下，金属材料产生的应力容易使环氧树脂发生开裂现象，故在铁心和铜保护盒外面，必须用无碱玻璃带（需高温300℃去腊后）二分之一叠包数层为缓冲材料，来防止环氧树脂灌注固化后发生开裂现象。
b.高压开关变压器的层间和组间不宜采用聚脂薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰亚胺薄膜之类表面光滑的绝缘材料，因为这些材料与环氧树脂结合力较差，容易使绕组产生气隙而造成绝缘击穿。
c.环氧树脂灌注时，需注意灌注料入口的方向，也就是灌注模具开口的位置。要选择从绕组的层间和绕组间的绝缘纸端边的方向灌入，让环氧树脂灌注料从上部顺着绝缘纸快速渗透到下部，这样容易排除绕组绝缘纸内的气泡，灌注效果较好。
d.干式环氧树脂灌注结构的高压开关变压器为便于外部连线，将初次级的引出线采用铜接线螺套。为保证高压下均匀电场，避免尖端放电，高压端接线铜螺套需设计成圆形，表面光滑，无尖端毛刺。
e.环氧树脂灌注的配方，以满足耐高压、防开裂、适合宽的温度范围为宜。由于目前此类配方很多，这里不再介绍。
4结束语
高压开关变压器装入70KV电子枪高压电源中，经调试正常后再与整个生物辐照工程装置运行使用，测试结果表明其输出电压的空载和满载特性均满足了加速管的工作需要，电压稳定度优于0.2％。
干式环氧树脂灌注结构的高压开关变压器在设计上不仅要减小分布电容，使其输出电压和脉冲波形均能满足电路各项技术指标要求，还要注意高电压绝缘和防止环氧树脂的开裂。因此需要采取一系列的综合措施。除此之外，还要与电源设计人员一道密切合作，不断改进，共同突破。

参考文献：
[1]电子变压器手册，电子变压器专业委员会编，辽宁科学技术出版社。
[2]直流70KV电子枪高压电源设计，汪军等，中国电子科技集团公司第38研究所所庆40周年学术论文集。