高频高压电源作为静电场高压加速器的核心设备，直接影响加速器的性能指标。高压电源的闭路温度会影响整个电源的工作稳定性和可靠性。SHYSEMI 认为有必要对受温度影响最大的元件进行分析和研究。
脉冲高压调制器高压充电电源采用绝缘铁芯变压器（ICT）。ICT的电压变换原理与普通变压器相同，都是通过交变磁场耦合进行能量交换。ICT采用多组线圈输出模式。完整的铁芯通过绝缘膜被分割成许多小段。每段小段都是一个用于初级线圈的小功率低压变压器。每个小功率变压器的输出电压经整流电路后，再将各段的输出电压串联起来，得到高压输出。
该结构解决了高压变压器的绝缘问题、初级和次级线圈的绝缘耐压问题、铁芯和次级线圈的耐压问题，有利于高压侧元件的选择。恒流恒压高压充电电源的原理图如图1所示。
图1 恒流恒压高压充电电源框图
基于二极管的 Pspice 模型，通过电路仿真，分析了二极管的功率损耗，并提出了二极管选择的依据。
实验验证
本研究设计了恒压恒流高压充电电源的主电路和主功率电路。由于平面绝缘铁芯高压变压器采用多层绝缘膜结构，磁芯被分割，导致励磁电感显著降低。为改善励磁电感，初级线圈匝数设计为14匝，次级线圈匝数增加至16匝以提高输出电压。此外，为优化二极管的温度特性，增大了PCB上的铜覆盖面积，每个输出板包含6个线圈单元。全桥变换器工作在LLC谐振状态，使整流二极管实现零电流开关（ZCS），有效改善其工作特性。
图2 高压输出电路结构
图3 单体高压输出电路板
图 4 全桥有限责任公司转换单元
实验测试表明，在LLC谐振状态下，SiC二极管的输出电流波形（ 图5）几乎没有反向恢复时间，从而降低了功率损耗。当高压电源输出电压为50 kV时（图6），每个绕组单元输出电压为600V，总共需要84个单元（336个二极管）。通过计算，可以准确估算总功率损耗。
图 5 单板输出波形测试
图6 50kV高压电源的输出波形
实测数据显示，输入电压为556V，输出电压为50077V，输入功率为20446W，负载为135kΩ，总损耗为1870W。具体损耗分布如下：
- LLC谐振功率晶体管（FF300R12ME4）：开关损耗 + 反向恢复损耗 + 导通损耗 = 1320.4W
- 滤波电容均衡电阻（6.5MΩ）：390W
- 变压器铁芯损耗：35W
- PCB铜箔损耗（600米布线）：40W
- 输出限流电阻损耗：10W
仿真计算得到的二极管损耗为72.8W，实测值为74.6W，两者结果高度吻合。热成像分析（图7）显示，变压器在负载和空载条件下温度均保持稳定，验证了损耗计算的准确性。密封部件（铁芯、线圈和二极管）的总损耗为159.6W，可通过自然散热达到热平衡。
图7 高压变压器温度对比
结论
使用碳化硅二极管可有效降低绝缘铁芯变压器输出端的发热问题。由于IGBT的开关频率有限，碳化硅二极管的高频优势尚未得到充分发挥。未来开关频率的提升有望进一步优化性能。