图2 电源机柜外型图
3 样机设计
3.1 采用IGBT作开关管
考虑到IGBT管具备开关速度快，电压控制容易驱动，功率容量大等优点，我们选择IGBT作为主开关器件。经计算谐振电流峰值Ipeak=120A，考虑到应有的余量选取200A/1200V的IGBT管，选择西安爱帕克公司的产品：GA200TD120K，该IGBT管采用第5代NPT技术，具有较高的开关频率，较低的导通、开关损耗等优点。
3.2 驱动电路的选择
目前IGBT集成驱动电路很多，常用的有EXB840/841、M57959L/AL、MM57962L/AL、IR2110及HR065等，驱动电路很重要，它直接影响到IGBT可靠工作及可靠保护，经比较我们选择了瑞士CONCEPT公司的产品IGD515EI，该驱动器具有很强的驱动能力，最大驱动电流达15A，可驱动大电流IGBT模块。
另外该模块对于开关管具有短路和过流保护的功能，还提供一个状态监视信号供保护之用，一旦驱动模块检测到开关管过流，状态监视信号立即输出一个故障电平供保护用。
驱动板的设计主要是围绕驱动模块进行的，元件参数基本上采用说明书推荐值，合理地安排了元器件的布局，输入、输出信号都采用光耦隔离，以减少干扰。
3.3 控保电路的设计
目前使用零电流开关工作方式的电源很多，其中MC340066就是一个很不错的零电流控制芯片，但是最近传来MC340066停产的消息，为了寻求一个替代品，笔者选用了另外一种芯片UC3867，UC3867的主要特点是：
⑴ 编程VCO振荡器频率在10Khz—1Mhz之间。
⑵ 输出为一对可驱动功率MOSFET 的反相图腾柱结构，输出峰值电流达1A。
⑶ 具有ZERO端，使驱动脉宽受到ZERO端输入信号脉宽的调制，目的是实现开关的零电流导通。
⑷ 故障产生后，具有可编程延时再次启动功能。
⑸ 芯片工作后可产生5V的电压基准，供内外电路使用。
⑹ 根据欠压锁定门限的不同，芯片分为2种：门限为16V/10V，选UC3865；门限为8V/7V， 则选UC3867。
控保电路的设计是围绕控制芯片UC3867来设计的，控制板原理框图见如下所示 ：

图3  控制电路方框图　　
3.4 主电路元件设计：
选择2DCM型串联谐振变换器[1，3]。根据公式，及，即可推出来谐振电容的计算公式:

式中：M为电压变换比；fs为开关工作频率；fo为谐振频率；E为回路直流电压；n为变压器匝比；RL为负载电阻；η为电源效率；Po，为电源输出功率。
由于高压开关变压器是外购的，参数是：匝比为40，漏感约60uH，由于变压器漏感很大，我们利用漏感作为
谐振电感，即L=60UH，n=40，P=10kW，代入上式，可计算出C=0.8uf。
另外，我们利用SABER仿真软件进行了验证，仿真结果见如下图4、图5所示：分别为不同谐振电容CS的谐振电流波形和输出电压波形。后来经电源调试，电容C=1uf，输出电压才达到了20kV实验电压，这一点得到了仿真波形的验证，见图4所示。最后我们选用了宏明元件厂C48A型1uF电容作为谐振电容。
4 电磁兼容设计
10kW功率较大，电磁干扰很严重，除了合理安排

图4  不同谐振电容CS的谐振电流波形
（上：CS=1uF，中：CS=0.8uF，下：CS=0.5uF ）

图5  不同谐振电容CS的输出电压波形
（上：CS=1uF，中：CS=0.8uF，下：CS=0.5uF ）
元件位置外，接线时还需要进行电磁兼容性设计：
1）大电流导线和小信号导线要分开，尽可能拉开距离。
2）控保电路全部采用抗干扰容限高的CMOS集成电路，以提高电路的抗干扰能力；印制板的输入、输出信号都采用光耦隔离，以杜绝相互干扰。
3）交流接触器是一个强干扰源，为减少它的干扰，需要在它的线包和触点两端并联RC吸收电路。
4）谐振电感有较强的交变电磁场，而且比较热，尽量将它放在远离IGBT和小信号电路、通风较好的位置，以防止小信号电路受到它的干扰。
5）将IGBT驱动板尽可能靠近IGBT模块，控保板至驱动板的驱动线采用屏蔽双绞线，以防止驱动信号受到干扰。
6）尽量减短IGBT模块的直流母线长度，减小母线上的分布电感，并 在IGBT模块旁接入一电解电容，防止IGBT关断时因母线上的分布电感过大引起IGBT电压击穿。
5 实验结果及波形分析
实验是按照两个步骤进行的：首先进行输出达20kV的实验，输出达10kW稳定工作后，再进行第二步实验：将变压器次级接入12倍压的高压整流电路，最终输出高压达240kV。
表1记录了第1步骤20kV/10kW的实验数据，从数据可见当输入3相电压为220V时，输入整流电压达到515V时，输出电压达到20kV，输出功率达到10kW，串联谐振电路效率高达96%，包括整流电路后电源效率大于90%，达到了设计要求。
表1  串联谐振电路效率
输入整
流电压
（V） 输入直
流电流
（A） 输出直
流电压
（kV） 输出直
流电流
（mA） 效率
（%）
310 13 12.4 300 92
400 17 16.2 400 95
450 19 18.2 450 96
500 20.5 20 495 96

 图5、图6分别给出了20kV/10kW实验电源的IGBT驱动波形和谐振电流波形，与图4的仿真谐振电流波形相比，可见两者十分接近。

图5  实验上IGBT驱动电流波形