ＧＥＮＩＶ２００３ＫＨＰＡ的电源系统工作原理分析

陕　华

GENIV2003KHPA电源系统

组成及作用：

1. GENIV2003KHPA电源系统的组成如图1所示。

2. GENⅣ2003KHPA电源系统各部分作用如下：

（1） 瞬时干扰抑制器A8：用于抑制馈送到电源系统交流电路的瞬时高幅度电压；

（2） 电磁干扰滤波器EMI FL1：用于减小开关电源反馈到交流输入电源的传导噪音；

（3） 电路断路器CB1：KHPA主电源开关；

（4） 交流侧面板A1：

a） 分步启动电路：用于把来自交流电源的浪涌电流限制在高压开启期间稳定值的180%以下；

b） +24VDC电源PS1：为GENⅣ2003KHPA提供稳定的24V直流电压；

（5） 缺相检测器A7：用于检测交流输入电源的三相供电是否缺相；

（6） 输入整流滤波器：对输入交流电压进行整流滤波；

（7） 电源处理器A3：用于把直流电压转换成50KHz的交流电压；

（8） 高压变压器/整流器A4：把50KHz的交流电压升压，并经高压整流输出束电压、灯丝电压和收集极电压；

（9） 高压滤波器A5：将经高压整流的束电压、灯丝电压和收集极电压进行滤波，减小直流电压的纹波，以满足速调管的供电要求；

（10） 电源处理控制器A2：电源系统的微处理器，可通过CAN总线与前面板控制器和射频控制器进行通讯，主要功能是：

控制分步启动电流接触器K1、K2；

控制束电压按先后顺序接通和关断；

调整控制束电压和灯丝电压；

监测电源的模拟和数字输入的各种参数；

监测电源的故障条件，如果发生了一个与电源相关的故障，例如像高体电流，电源处理控制器会立刻关断高压。

电源系统工作原理分析

为了便于分析GENⅣ2003KHPA电源系统工作原理，本文对GENⅣ2003KHPA电源系统电路原理图进行了分类归纳和整理，详见图2 GENⅣ2003KHPA电源系统工作原理框图。

1. GENⅣ2003KHPA电源系统简单工作过程

GENⅣ2003KHPA为三相四线380VAC供电，要求交流电压应为380VAC±10%和50Hz±3Hz。

交流输入电源从J1连接到瞬时干扰抑制器A8，再经电磁干扰滤波器EMI FL1送到装在前面板上的主源开关CB1上。交流电源再通过分步启动电路（Step Start Section）A1，然后经整流和滤波后再送到电源处理器A3。

电源处理器A3把直流电压转换为50KHz交流电压加到A4板（高压变压器T1和整流器BR2）。高压整流器BR2输出的束电压、灯丝电压和收集极电压，送到高压滤波器/反馈板A5，经采样和滤波后送至射频模块内的速调管。束电压和灯丝电压的取样值从A5板反馈到电源处理控制器A2，束电压、束电流、管体电流、灯丝电压和灯丝电流可通过内嵌的控制系统进行监测。

束电压和灯丝电压在微处理器的控制下，束电压可以从1KV到速调管标示牌电压值之间调整，同样地，灯丝电压也可以从0V到速调管标示牌电压值之间调整。当所需输出功率小于额定功率时，节电模式能适时调整束电压低于标示牌值。同样，灯丝电压也能自动减小，以延长阴极的寿命。当不需要KHPA长时间工作，但又需要在几秒内能完全开启时，采用1KV热备份模式也可以延长速调管的寿命。

2. GENⅣ2003KHPA电源系统工作原理

（1）分步启动电路（Step Start Section）A1

它包括了输入滤波器A6中的电容器C1和C2，最初交流电压通过电流接触器K1和电阻R2、R3加到A6，因此能限制充电电流。1秒之后滤波电容被充电80%，主电流接触器K2闭合，分步启动交流接触器K1打开。软启动在灯丝加热结束后可自动启动。

直流电源PS1为分步启动控制电路和电源风机B1提供24V直流电压。

（2）输入滤波器（Input Filter）A6（包括电感L1、L2）

三相交流输入电压整流滤波器包括二个电感L1、L2和安装在PCB上的四个电容器C1-C4组成。对于380-408VAC输入，需连接跳线JP3，采用串/并联连接，电阻R1-R4可确保C1-C4均分直流电压。在待机和电源关断（Standby Mode or Power OFF）时，电容器C1-C4能通过R1-R4连续放电。

（3）电源处理器A3

输入滤波器A6输出的经整流的直流电压送到电源处理器A3。当交流输入为380VAc时，A6（J3、J4）输出的500~530VDC直流电压连接到A3的J1、J2。A3再把500-530V直流变换为幅度360V、工作频率为50KHz的方波，经A3的J3、J4再送到高压变压器/高压整流器A4内的升压变压器T1。

电源处理器A3由BUCK开关电源和H-桥IGBTs两级组成。

电源处理器A3的功率管主要采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极型功率管，它是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

BUCK开关电源有两个交叉部分组成，每个部分有两只交替工作IGBT（Q1/Q2和Q3/Q4），即每次只有一只IGBT（Q1或Q2和Q3/或Q4）工作。通过门激励变压器T1和T2提供的工作频率为25KHz的同相激励信号，可在束电压20%到90%范围内不断调整到所需的束电压。这样使得每个交叉部分的工作频率为50KHz（两只交替工作的IGBT，每只工作频率为25KHz），因此BUCK开关电源的实际工作频率为100KHz（两个交叉部分，每部分工作频率为50KHz）。

快速恢复整流二极管CR3-4和CR1-2、8-9和电感L1、L3，、电容C3-4，以及电阻R5-6，R9-10、R24-27共同为BUCK开关电源提供软转换条件。

电流传感变压器T5-T8、电阻R19-R20和二极管CR14-CR21能检测到BUCK开关电源L2﹑L4上的直流电流，并把它送到电流控制环路和保护电路。

H-桥IGBTs由四对IGBT并联组成。通过门激励变压器T3-T4（工作频率50KHz，间歇时间2s）提供异相激励信号供给IGBTs，Q5、Q6和Q11、Q12或Q9、Q10和Q7、Q8交替工作。电流传感变压器T9、电阻R21和二极管CR10-CR11将检测到的输出BUS电流，送至H-桥IGBTs过流比较器。谐振电络中电容C5-C8和电感L5-L6可为H-桥IGBTs提供小电流关断条件。

二极管CR5-CR7可以把BUCK开关电源的输出电压钳制到输入电压，以便在BUCK开关电源短路时，保护H-桥IGBTs电路不过压。

（4）高压变压器/高压整流器（High Voltage Transformer/Rectifier）A4

高压变压器/高压整流器A4可以把电源处理器A3输出的360VAC/50KHz方波信号升压到10KVAC左右，然后再进行整流送到高压滤波器A5。此外A4的另一路输出信号被送到电源处理控制器A2，用作束电流监测。

（5）高压滤波器（High Voltage Filter）A5

高压滤波器A5能对高压变压器/高压整流器A4输出的直流电压进行滤波。A4输出直流电压的纹波大约为20Vp-p，经A5滤波后纹波大约减少到1Vp-p。经滤波后的直流高压可直接接到速调管。

A5（J1）接到电源处理控制器A2（J3），通过（A5）J1和（A2）J3之间连接，能传输来自和到A2的信号。

高压滤波器模块A5由高压滤波部分、反馈/监测部分和灯丝电源部分组成。

高压滤波器模块A5包含有粗滤波器C1-C4和跟随的由电感L1-L2和电容C5-C6组成的细滤波网络（用于阴极/灯丝）、L4和C15（用于COL3），以及L5和C16（用于COL2）。火花间隙SG1-SG4可保护电感L1、L2、L4和L5，免受高压电弧影响。电流传感器T1、二极管CR1-CR4、电阻R21-R22和齐纳二极管CR15构成高压电弧检波器（A5J1的29/30 HV-ARC的输出送到电源处理控制器A2）。电阻R24上的跨接电压可以自动检测平均的体电流（A5J1的27/28 BODY CURR的输出送到电源处理控制器A2）。

经高压分压器R17、R19得到的束电压监测，由A5J1的21/22（（BEAM VOLT）

输出到电源处理控制器A2。

经高压分压器R18、R20和高压电容C7（20pF）得到束反馈电压。由A5J1的25/26（BEAM FDBK）输出到电源处理控制器A2。

速调管灯丝直流电压是由来自电源处理控制器A2的直流和交流信号产生的。幅度为30VAC到40VAC之间的50KHz方波异相信号被送到A5J1的DRV A和DRV B，加到变压器T2初级线圈的1端和4端。电源处理控制器A2也提供一个约为20VDC的直流电压加到A5J1的CT端，并送到变压器T2的中心头2/3端。变压器T2次级线圈输出的交流信号，经整流和滤波后，送到速调管灯丝E7、E8端子。变压器T2（5端和6端）的输出除被反馈到灯丝电压可调节稳压电路外，也还被送测灯丝电压监测电路。

电容器C13-C14与电阻R31-R32和齐纳二极管CR22-CR23一起可箝制和滤除在高压打火期间高压电缆产生的噪音，以保护高压互锁的输入不过压。

（6）电源处理控制器（Power Processor Controller ）A2

电源处理控制器A2工作原理分析如下：

a） 束电压调节

调节回路工作在平均电流模式。它有两个反馈回路：主电压反馈回路和两个局部电流反馈回路。在工厂设定的电压反馈工作模式下（JP15的1和2相连），两个BUCK电流反馈回路可使BUCK开关电源能像受控电流源一样，为H-桥IGBTs提供幅度恒定的直流电流。

在A2J3（25/26头）上，来自高压滤波器A5的束电压反馈信号，与差分放大器U2的参考电压相比较。U2的输出可作为电流差分放大器U1A和U1B的参考值，并送到PWM控制器U3和U4，以使BUCK开关电源连续变换。MOSFET激励器U5-U6和U39-U40能提供激励信号，通过装在电源处理器A3上的门激励变压器，能为BUCK IGBTs提供激励信号。

H-桥控制器U7工作在固定的占空因数（通过调整R21可到80%），其标称工作频率为100KHz（可调整R78）。MOSFET推动级U10-U13可以通过装在电源处理板上的门激励变压器，以推动H-桥IGBTs。

来自U7-12脚的100KHz同步信号用于产生50KHz的时钟供给灯丝电源HTR P/S（对应于U14-5和U14-6），从用于产生50KHz的同步信号供给交替工作的BUCK开关电源（对应于U9-6和U9-8）。SYNC A和SYNC B用于Buck A和Buck B每间隔半个周期同相转换一次。

b） 灯丝电源（Heater Power Supply）

灯丝电源HTR P/S是一个推挽式开关变换器，变换频率为50KHz，固定能率接近100%。电流通过L1馈送到从稳压电源的直流总线通过L1馈送到A5灯丝变压器T2。MOSFET晶体管Q1、Q2驱动装在高压滤波板上（HV Filter Board）的灯丝变压器T2（HTR XFMR）。来自高压滤波板的HTR灯丝反馈电压与U16-B差分放大器的参考电压相比较，差分放大器的输出可驱动可调节的电压稳压器U41。通过改变馈送到灯丝变压器T2中心头的电压，稳压器U41可控制灯丝电源（HTR P/S）的输出。灯丝电流从跨接在灯丝变压器初级的电阻R88、R89上取样。灯丝电流取样馈送到放大器U19用于监测，馈送到放大器U16-A用于电流抑制。稳压器U41自身有内部电流抑制，残余的可用外部电流抑制电路抑制（见上述）。电流抑制可用于限制灯丝电流浪涌，以及可保护灯丝电源。

与电源处理控制器相关联的门闭锁故障如下：

Buck A过流：来自电源处理器A3 BUCK开关电源输出变压器T5、T7检测电路，送至电源处理控制器A2的门闭锁保护电路，经比较器U18-A推动D触发器U20-A，除供指示器DS1外，并送至U30（CPU）；

Buck B过流：来自电源处理器A3 BUCK开关电源输出变压器T6、T8检测电路，送至电源处理控制器A2的门闭锁保护电路，经比较器U18-B推动D触发器U20-B，除供指示器DS2外，并送至U30（CPU）；

BUS过流（即桥过流Bridge Over Current）：来自电源处理器A3 H-桥输出变压器T9检测电路，送至电源处理控制器A2的门闭锁保护电路，经比较器U18-C推动D触发器U20-C，除供指示器DS3外，并送至U30（CPU）；

+15V电压低：来自A1 PS1电源的+24VDC电压送至电源处理器A2，经+15VDC稳压器输出后送至比较器U18-D推动D触发器U21-D，除供指示器DS4外，并送至U30（CPU）；

加到四重比较器U18的公共参考电压为2.5Vdc。比较器输出达到一个故障条件以下的逻辑低电平，可调整双D触发器U20、U21电路的门闭锁。比较器输出达到一个故障条件以上的逻辑低电平，门闭锁激励指示器（LED发红光DS1-4），这有利于处理故障。任何门闭锁故障都可以立刻关断电源处理器A3。需要复位信号（PP RESET）用来清除任何门闭锁故障。

跳线JP1允许在检测高压电弧时，选择快速电源处理器禁止。这有两种工作模式，电压或电流模式。电压模式是工厂确省模式。电流模式将来会用，但目前从未被选择。

对于电弧检测，电源处理器的切换时间不能大于20ms，允许加到速调管的高压衰减到零伏，从而熄灭电弧。20ms之后，电源重新启动返回到原先的水平，并在25ms内完全修复。

c） 模拟信号监测

被监测的模拟信号如下：

灯丝电流：来自高压滤波器A5灯丝变压器T2初级取样电阻R88、R89的灯丝检测电流，经运放U19，送至U30，做灯丝电流满刻度和偏置校正（满刻度4.096 VDC为10A）；

灯丝电压：来自高压滤波器A5灯丝变压器T2灯丝电压检测信号，送至电源处理控制器A2，经运放U45-A，做灯丝电压满刻度和偏置校正（满刻度4.096 VDC为10V）；

束电流：来自高压变压/整流器A4高压变压器的束电流检测信号，送至电源处理控制器A2，经运放U45-B，送至U30，做束电流满刻度和偏置校正（满刻度4.096 VDC为4A）；

束电压：来自高压滤波器A5束电压取样电路R17、R19束电压检测信号，送至电源处理控制器A2，经运放U45-D，送至U30，做束电压满刻度和偏置校正（满刻度4.096 VDC为12KV）；

体电流：来自高压滤波器A5体电流取样电路R23、R24体电流检测信号, 送至电源处理控制器A2，经运放U45-C，送至U30，整体电流满刻度和偏置校正运（满刻度（4.096 VDC为80mA）；

在满足以上电压或电流满刻度条件之后，模拟信号被馈送到微处理器U30。但必需要用软件做定标和偏置，定标和偏置可在前面板显示器中的工程功能屏“Engineering Functions”上进行。

d） 互锁联动装置

GENIV 2003KHPA有如下几个互锁联动装置：

高压互锁：来自高压滤波器A5E13、E14的高压互锁检测信号，送至电源处理控制器A2的光电耦合器IS02送至U30，然后再送至或非门U24-C,经与门U25B.C.D,送至（PWM）U3、U4、U7，经逻辑判断后，决定是否关断电源处理器A3BUCK开关电源和BUS H-桥的门激励；

盖互锁：盖互锁故障可以不用，直接短接J5-23和J5-24，盖互锁检测信号，送至电源处理控制器A2的光电耦合器IS01送至U30，然后再送至或非门U24-C,经与门U25B.C.D,送至U3、U4、U7，经逻辑判断后，决定是否关断电源处理器A3BUCK开关电源和BUS H-桥的门激励；

CAN互锁1和CAN互锁2：CAN互锁1和CAN互锁2检测信号送至或非门U24-D，经与门U25-B送至U25-C.D，再送至U3、U4、U7，经逻辑判断后，决定是否关断电源处理器A3 BUCK开关电源和BUS H-桥的门激励；

互锁装置失锁会导致产生一个故障条件，并通过逻辑门电路立刻关断电源处理器A3。

e） 系统状态信号

如下系统状态信号来源于电源处理控制器A2：

K1状态（分步启动继电器K1）：交流接触器K1的逻辑低电平送至反相器U22-A和开关管Q12进行电平转换后送至CPU，以显示分步启动继电器K1的工作状态；

K2状态（分步启动继电器K2）：交流接触器K2的逻辑低电平送至反相器U22-B和开关管Q13进行电平转换后送至CPU，以显示分步启动继电器K2的工作状态；

风机故障：来自电源风机B1电路的风机故障信号，送至反相器U22-C进行电平转换后送至CPU，以显示风机B1的工作状态；

缺相故障：来自缺相检测电路A7的缺相故障信号，送至反相器U23-A.B进行电平转换后送至CPU，以显示三相交流输入电源的工作状态；

交流故障：来自A1 PS1的24VDC检测信号，送至反相器U23-C.D进行电平转换后送至CPU，以显示+24VDC电源的工作状态；

系统状态故障被馈送到微处理器U30，通过软件会影响电源系统的工作。状态改变到控制器响应之间的延时时间为几毫秒。

f） 系统激励信号

如下系统激励信号产生于电源处理控制器A2,通过系统连接线，系统激励信号被送到它们各自的目的地。

K1激励（分步启动继电器K1）：来自A2（CPU）U30的K1 DRV逻辑高电平经反相器U47-A.B送至指示器DS5，然后由开关管Q4、继电器K1组成的分步启动电路为交流接触器K1提供0-24VDC的驱动电压；

K2激励（分步启动继电器K2）：来自A2（CPU）U30的K1 DRV逻辑高电平经反相器U47-C.D送至指示器DS6，然后由开关管Q5、继电器K2组成的分步启动电路为交流接触器K2提供0-24VDC的驱动电压；

风机复位（BLOWER RESET）：来自A2（CPU）U30的风机复位逻辑高电平经反相器U22-E送至指示器DS8，然后由开关管Q5为电源风机B1提供风机复位驱动信号；

PFC ON（功率因数校正/开启功能）：国际电工委员会IEC61000-3-2标准，对用电设备输入电流的谐波含量作了严格的限制，因此必须在用电设备的输入端加入一级功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）装置，以提高输入端的功率因数。GENⅣ2003KHPA电源系统目前没使用PFC，未来使用；

PFC RESET（功率因数校正/复位功能，未来使用）；

总结

GENⅣ2003KHPA电源系统是保证KHPA正常工作的基础，系统组成相对复杂，出故障机率相对较高，通过以上对GENⅣ2003KHPA电源系统工作原理的分析，可使技术人员尽快熟悉电源系统工作原理,有利于分析判断故障原因，及时排除故障，提高自身技术维护水平，不至于全依赖售后维修服务站。