50KV直流高压电源的设计.doc

88 毕业论文毕业论文(设计设计) 题题 目目 50kv50kv 直流高压电源的设计直流高压电源的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 x 年年 x 月月 x 日日 88 目 录 1 引言1 2 高压直流电源的概述 .1 2.1 开关直流电源的种类1 2.2 高压直流电源发展中的问题和难点 .2 2.3 国内外研究现状和发展趋势3 3 高压直流电源的主电路设计 .4 3.1 低压直流电路的设计 .4 3.1.1 整流电路4 3.1.2 稳压电路设计5 3.2 逆变电路设计 .6 3.2.1 逆变谐振电路拓扑结构的比较6 3.2.2 振荡逆变电路的设计 8 3.2.3 半桥逆变电路开关器件的选取 9 3.2.4 控制器原理9 3.3 脉冲变压器.10 3.3.1 脉冲变压器的原理.10 3.3.2 脉冲变压器的选择 .11 3.4 倍压电路的设计.12 3.4.1 倍压电路的原理.12 3.4.2 倍压电路的具体设计 .14 4 仿真与分析 15 4.1 proteus 简介及其特点.15 4.1.1 proteus 简介 .15 88 4.1.2 proteus 的特点 .15 4.2 基于 proteus 的电路仿真 15 4.2.1 电压频率对稳定时间以及纹波系数的影响 .16 4.2.2 电容大小对纹波的影响 .18 4.2.3 倍压电路电容、高压硅堆与电阻的选取 .19 4.3 串级高压整流电路的结构设计 20 5 总结 20 参考文献 20 致谢 22 abstract 23 88 50kv 直流高压电源的设计 摘要：设计了一种 050可调的直流高压电源，通过 ac-dc-ac-dc 变换技术实现。本电源主要由低压直流电源、稳 压电路、振荡逆变电路及倍压电路组成。通过将市电（即 220v 民用电）降压、整流、稳压、逆变、振荡、升压、倍压整 流等环节变换成高压直流电源。该电源输出电压在 050kv 范围内可调，纹波系数5%。最后进行了了 5 倍压串级整流 发生器的结构设计. 关键词关键词：高压直流电源；整流稳压；逆变；升压；串级整流发生器 1 引言 高压直流电源是将工频电网电能转变成特种形式的高压电源的一种电子仪器设备，高压直流电源按 输出电压极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源已经广泛应用于各行各业，在兆瓦级加速器设 计中直流高压电源可以达到 90以上的能量转化效率，较好的满足了其需求。而在日常生活中，直流电 源应用非常广泛，小至家用电器的供电电源，大至大型发电厂、水电厂、超高压变电站、无人值守变电 站作为控制、信号、保护、自动重合闸操作、事故照明、直流油泵、各种直流操作机构的分合闸，二次 回路的仪表，自动化装置的控制交流不停电电源等用电装置的直流供电电源。其也广泛应用于军事及其 科学研究等领域。直流高压电源也有一些先进的变换技术，如零电流串联和并联谐振开关技术（即 zcs） ； 零电压 lcc 谐振逆变技术（即 zvs） ； 软开关和相控谐振技术；正反激励和推挽逆变器技术。高压直流电 源有着广阔的发展前景。 本文设计了一种 50kv 直流高压电源。其特点是直流高压从 050kv 连续可调，纹波系数小于 5%， 体积小、重量轻、绝缘性好、性能稳定。可用于为高压储能网络充电，也可单独作为一种直流高压电源 使用。 2 高压直流电源的概述 2.1 开关直流电源的种类 开关型直流电源与线性直流电源不同，直流电源就是开关型直流电源，它的电路型式主要有单端反 激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性直流电源的根本区别在于它变压器不工作在工 频而是工作在几万赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关直流电源因此而 得名1。开关直流电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性直流电源来说纹波较大 （一般1% (p-p)，好的可做到十几 mv(p-p)或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品，价位为 0 v 3 元十几万元/瓦不等，下面就一般习惯分类介绍几种开关直流电源： (1)通信直流电源 通信直流电源其实质上就是 dc/dc 变换器式直流电源，只是它一般以直流48v 或24v 供电，并用 88 后备电池作 dc 供电的备份，将 dc 的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电 和单板供电三种，以后者可靠性最高。 (2)电台直流电源 电台直流电源输入 ac220v/110v，输出 dc13.8v，功率由所供电台功率而定，几安几百安均有产品. 为防止 ac 电网断电影响电台工作，而需要有电池组作为备份，所以此类直流电源除输出一个 13.8v 直流 电压外，还具有对电池充电自动转换功能。 (3)模块直流电源 随着科学技术飞速发展，对直流电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块直流电源越来越显示 其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前， 目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。 (4)ac/dc 直流电源 该类直流电源也称一次直流电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供 dc/dc 变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦几千瓦均有产品，用于不同场合。 属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信直流电源中的一次直流电源（ac220 输入，dc48v 或 24v 输出)也属此类。 (5)dc/dc 直流电源 在通信系统中也称二次直流电源，它是由一次直流电源或电池组提供一个直流输入电压，经 dc/dc 变换以后在输出端获一个或几个直流电压。 dc/dc 模块直流电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统 故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该直流电源模块还是合算的，在此还值得一提的是 罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。 2.2 高压直流电源发展中的问题和难点 随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌 现，并不断地被应用于开关电源，使得开关电源的性能不断提高，特点不断更新，出现了如频率高、效 率高、功率密度高、可靠性高等新特性。现代的高压开关直流电源有两大技术特别突出。 1）关键功率新部件的应用 （1）快速转换器件，像晶体管、功率 mosfets、igbts、scrs 等； （2）低功耗、高性能，适用于高频的新型变压器铁心材料的应用，比如铁氧体、非晶材料等； （3）低耗散因素的大容量电容的发展和应用； （4）低前向电压降的快速整流器应用等。 2）先进变换技术的发展 （1）零电流串联和并联谐振开关技术(即 zcs)； （2）零电压 lcc 谐振逆变技术(即 zvs)； （3）软开关和相控谐振技术； （4）正反激励和推挽逆变器技术。 （5）伴随着高新技术的逐步应用，新的技术问题也随之出现，主要表现在高频化可以提高电源性能，减 少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点： 高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出； 大电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖 88 峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件； 高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。 鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。最近出现的平面变压器在 设计理念上不同于传统的设计方式，普通平面变压器已经投入生产和应用，如果高频高压变压器也能平 面化，将会再次大大缩小电源体积，提高其工作效率。 （6）由于高压电源的频率很高，导致功率开关器件开断频繁，能耗增大，这就对逆变器的拓扑结构应有 所选择。采用软开关和同步整流技术，可有效降低伴随高频化带来的损耗。同时采用逆变器和准谐振电 路相结合的技术，通过电压或电流的谐振，使开关打开或断开时电压或电流为零，使能耗大大减小。为 了减少变压器漏感的不利影响，可以将变压器漏感作为逆变器的一部分，即逆变-谐振-变压器漏感， 用一体化思想进行整体设计。 （7）在控制检测部分，高频高压开关电源采用了数字集成电路(ic)，而不像线性电源完全是模拟电路。 开关电源以模拟方式控制输出电压，以数字方式进行开关操作，高精度而稳定地输出电压。采用数字控 制技术，可进行连续和不连续模式的转换，采用 pwm(脉宽调制技术)和 pfm(频率调制技术)，和 dcdc(直流-直流)变换器、逆变器等技术，出现了强电弱电间的相互影响加强。检测部位的高压电压 (近 10kv)，对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求。 目前，国外高压直流电源比较成熟，像 spellman、classman 等高压电源公司已生产出小型化、高效 化、智能化的高压直流电源，然而价格比较昂贵，国内直流高压电源研究起步较晚，与先进国家相比有 较大差距。尤其在高频、高性能直流高压开关电源方面，国内还没有形成批量生产能力。 2.3 国内外研究现状和发展趋势 在国外，从 70 年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为 3khz 左右 的中频，然后升压，美国 ge 公司生产的 amx-2 移动式 x 线机把蓄电池供给的直流电逆变成 50ohz 的中频 方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入 80 年代，高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公 司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到 20khz 以上。并将干式变压技术成功的应用 于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小2。近十年来，随着电力电 子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如 philips 公司 30kw 以下移动式 x 光机的 x 线发生装置频率达 30khz 以上，德国的霍夫曼公司高压发生器 频率高达 4okhz。98 年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功 100khzx 线机发生器。另外，高压开 关电源的功率也在不断地提高，10-30kw 的大功率高压开关电源在产品上己很成熟，更高功率的高压开关 电源也有很快的发展，如:用于雷达发射机的 140kw 高压开关电源(俄罗斯)3；用于脉冲功率技术中的 300kw 大功率恒流充电电源(美国 eev 公司)等等。 可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是: 频率不断提高， 功率不断增加。 我国自 80 年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了“七.五” 、 “八.五” 、 “九.五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目(85-805-01)，200kv 高压直流开关电源的研制， 输出功率达 20kw4；国家自然基金资助项目(69871002)产生高浓度臭氧用 20khz 高压逆变电源的研制， 88 电源的转换效率80%，输出功率最高达 20kw，电源体积降至原体积 1/5，臭氧发生器体积降为原来 1/6，o3；体积质量最高可达 250g/m3，还减少了原材料消耗5；静电除尘高压直流电源也实现了高频化， 采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流 为直流高压，在电阻负载条件下，输出直流电压达到 55kv，电流达到 15ma，工作频率为 25.6khz。 总之，我国高压开关电源技术已取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率 高压开关电源技术仍处在研发之中。 3 高压直流电源的主电路设计 高压直流电源由低压直流电路、逆变器、升压电路、倍压整流电路、输出电路、控制及保护电路组成。 如图 1 所示： 图 1 直流高压电源主电路图 3.1 低压直流电路的设计 低压直流电路是由电源变压器，桥式整流电路，电容滤波电路和由稳压芯片 lm338 以及电容构成的 稳压电路所组成。电源变压器将市电 220v 电压变为所需要的 20v 电压，然后通过整流电路将交流电压 变成脉动的直流电压。由于该电压还含有较大的纹波，必须通过电容滤波电路将纹波滤除，从而得到平 滑的直流电压。即使如此，得到的电压仍随电网电压波动（10%左右） 、负载和温度的变化而变化，因此 还需再加一个稳压电路。 3.1.1 整流电路 整流就是把交流电转变成直流电的过程。利用具有单向导电性的器件，可以把方向和大小交变的电 流转变成直流。用晶体二极管组成的整流电路可分为半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路。 本设计的整流电路采用桥式整流电路，其电路如图 2 所示： 88 图 2 桥式整流电路 电路的工作原理：在电路二端加一交流电，当交流电在正半周时，对 vd1 和 vd3 加正向电压，vd1 和 vd3 导通，对 vd2 和 vd4 加反向电压，vd2 和 vd4 截止，电路中构成 vd1、rl 、vd3 通电回路，在 rl 上形成上正下负的半波整洗电压，当交流电在负半周时，对 vd2 和 vd4 加正向电压，vd2 和 vd4 导通， 对 vd1 和 vd3 加反向电压，vd1 和 vd3 截止。电路中构成 vd2、rl、vd4 通电回路，同样在 rl 上形成上正 下负的另外半波的整流电压。 3.1.2 稳压电路设计 稳压电路主要由v1和v2组成的复合管作为调整单元、v3和v4组成的复合管作为比较放大单元、由 v5和电阻组成的基准单元和以整流二极管v6和滤波电容c1、c2以及电阻r1、r2、r3、r4和rw组成的 采样单元组成8，如图3所示。电容c3和rw并联使用可以平稳线性调整输出电压；电容c4可以滤除后端 脉冲变压器负载的高次谐波电压，保护前端电路不被损坏。电路工作时，+20v电压通过稳压电路给脉冲 变压器供电。当输出电压升高或降低时，经采样单元电路加到放大管v3基极的电压也随之升高或降低， 通过v3、v4比较放大电路调节v1、v2复合调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。调节电位器rw， 直流高压输出可在17kv50kv之间连续变化，即可改变输出高压幅度。 图3 稳压电路 此稳压电路为串联型稳压电路，因为同相比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调， 则其输入电压就可调节；同时为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式， 88 就构成具有放大环节的串联型稳压电路。 3.2 逆变电路设计 3.2.1 逆变谐振电路拓扑结构的比较 逆变电路的拓扑结构决定了半导体器件的开关强度、开关损耗、电磁干扰强度、控制方法及可控性 能，同时也制约了开关器件的种类。常见的变压器和开关组成的逆变电路有四种拓扑结构:即单端式、推 挽式、半桥式和全桥式91011。图 4(a)所示为单端式拓扑结构。这种电路最简单，存在如下缺点:首先， 它的输入电流是脉动的，其电流幅值由其平均值和开关 s1 的导通比决定。因此，这种电路常需要接入输 入低通滤波器；其次，当开关 s1 不导电时，开关电压等于 vi+v2，其中 v2 为变压器次级反射到初级的电 压。在许多情况下，这个开路电压大于电源电压的两倍；第三，开关 s1 闭合时通过的电流峰值也可能大 于输入平均电流的两倍；第四，由于变压器铁心被单向脉动电流激磁，可能使铁心饱和，致使 s1 导通时 产生很大的电流，或使 s1 断开时产生过大电压，导致开关损坏，所以需要附加磁通复原电路，使电路更 加复杂化。由于这些原因，单端式拓扑结构己用的极少. 图 4（a）单端式拓扑结构 图 4（b）推挽式拓扑结构 图 4(b)所示为推挽式拓扑结构，图中开关 s1 与 s2 交替导通，每个开关的导通比都为 50%。这两个 开关的作用是在变压器 t1 的初级产生对称的交变的方波电压。在元件皆为理想的假定下，有: （3-1） 0 s i p n vv n （） 式中，分别为变压器初、次级绕组的匝数。 s n p n 88 由以上分析可知，推挽式逆变电路实现了直流变为交流的功能。推挽式直流变换器初级不导通开关 两端的电压为 2vi，即为输入电压的两倍。这是因为与 vi 相连的初级绕组上的电压一定要反射到初级绕 组的另一半上的缘故。s1 或 s2 导通时开关中流过的电流峰值在理想情况下等于输入电流的平均值 is。 图 5(a)所示为半桥式拓扑结构。图中开关 s1 和 s2 交替导通。此电路中，不导通开关两端的电压等 于输入电压 vi，而导通开关中的电流峰值等于电源平均电流 ii 的两倍。交流变压器初级绕组上的电压是 电源电压的一半，故输出电压为： （3-2） 0 s i p n vv n （） 式中，分别为变压器初、次级绕组的匝数。 s n p n 图 5（a）半桥式拓扑结构 图 5（b）全桥式拓扑结构 图 5(b)为全桥式拓扑结构。在某个半周期，开关 s1 与 s4 同时导通，在下一个半周期，开关 s2 和 s3 同时导通。稳态时，任一个不导通开关两端的电压皆为电源电压 vs，任一导通开关中的电流峰值皆为 电源平均电流 is。以上四种拓扑结构总体比较如表 1 所示，由表可以看出本设计中宜选用推挽式或半桥 式拓扑结构，由于推挽式电路中漏感引起的电压尖峰是半桥式的 2 倍，这给电路设计与调试带来了 maxce v 困，并对开关管的耐压提出了更高的要求，综合以上各种电路的优缺点本文选用半桥式电路拓扑结构。 88 表 1 四种逆变电路拓扑结构的比较 电路参数单端式推免式半桥式全桥式 功率开关管集射极 间施加电压 截止二极管箝位 maxce ev 稳态为 2e，漏感引 起的尖峰使 max 2 ce ev 稳态为 e，二极管 箝位 maxce ev 稳态为 e，二极管 箝位 maxce ev 输出相同功率时集 电极电流 2 c i c i2 c i c i 功率开关管数量 2224 输出滤波电容数量 1121 输出容量中、小大中等大 3.2.2 振荡逆变电路的设计 振荡逆变电路是由半桥变压型逆变电路、文氏振荡电路以及脉冲变压器组成，如图所示。电路工作 时，+20v 直流电压经半桥变压型逆变电路进行逆变，产生高频电压，再由振荡电路将该电压进行振荡变 换，向脉冲变压器输出一个高频的矩形脉冲电压，经脉冲变压器升压后输出 10kv 的高频高压，送至倍压 电路，经倍压整流滤波后输出所要设计的直流高压12。如图 6 所示。 图 6 振荡逆变电路 如图 6 所示，半桥逆变电路两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件 u 和一个反并联二极管 d 组成。在 直流侧接有两个相互串联的足够大的电容 c，两个电容的连接点成为直流电源的中点，阻感负载接于直流 88 电源中点和两个桥臂连接点之间。 文氏振荡电路则是由 rc 串并联选频网络，以及同向输入比例放大器组成。 文氏振荡电路输出信号频率计算公式 （3-3） 1 2 f rc 取=10khz，所以=1.5910-5frc 取=15000，则=1.0610-9（f） 。rc 3.2.3 半桥逆变电路开关器件的选取 在逆变电路中开关器件起着核心的作用。在开关器件的选型时，可从五个方面综合考虑131415： 1.导通压降。半导体器件工作在饱和导通时仍产生一定的管耗，管耗与器件导通压降成正比，所以 应尽量选择低导通压降的电力半导体器件。 2.运行频率。电力半导体器件运行频率除了与器件的最小开、关时间有关外，还受到开关损耗和系 统控制分辨率的限制，器件的开、关时间越短，器件可运行的频率越高。 3.器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 4.耐冲击能力。主要是指器件短时间内承受过电流的能力。 5.可靠性。主要是指器件防止误导通的能力。半可控器件一旦受到干扰信号产生了误导通，则无法 通过控制信号将其关断，因此在主要承受正向阻断电压的有源逆变系统中，容易造成系统的颠覆。而全 可控器件可以通过控制信号迅速关断误导通的器件，因此系统工作可靠性高。 基于以上考虑，综合比较了现在市场上的各种开关半导体器件并结合本文的实际情况，全控型开关 器件是优先考虑选用的。gtr 开关速度较低，对 di/dt 有影响，而且是电流驱动方式，驱动功率较大，还 存在二次击穿问题；功率 mosfet 有较好的高速控制性能，然而容量小，难以实现大电流，主要应用于小 型和轻型设备中；igbt 是 mosfet 与双极晶体管的复合器件，它兼有 mosfet 易驱动和功率晶体管电压、 电流容量大的优点，其频率特性介于 mosfet 与功率晶体管之间，可正常工作于几万赫兹频率范围内，在 较高频率的大中功率应用中占据了主导地位。目前，igbt 的电流和电压等级己 1800a/400ov，关断时间 已缩短至 40ns，这些优越的性能使得 igbt 成为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件。 故而本文中采用 igbt 作为逆变电路的主控功率开关器件。 3.2.4 控制器原理 控制器是进行控制和驱动半桥逆变器工作的，是高压开关电源技术实现的关键所在。己有一些集成 芯片，如美国 unitrode 公司生产的 uc386x 系列控制芯片，该系列控制芯片适用于零电流开关或零电压 开关的谐振变换器，但这些产品只适合中小功率电源，更不能满足大功率高压开关电源的需要。 结合其运行特点以及半桥逆变器对控制器的要求，设计了谐振变换器控制器，其原理框图如图 7 所 示。该控制器主要由振荡器、单脉冲发生器、电流过零检测器、死区调整电路、分频器、软启动控制及 驱动电路组成。 88 软启动控制振荡器分频器驱动电路 电流过零点检测器死区调整 单脉冲发生器 图 7 控制回路原理图 该控制器的工作原理为:电流过零点检测器用于跟踪逆变器的谐振频率，并在电流过零点处开断，死 区调整用于调整死区时间，软启动控制为一定时器，系统刚启动时起作用，使振荡器工作于固有频率， 此频率较低，以限制启动电流，过一段时间后，振荡器跟踪工作在逆变器的谐振频率附近，并在电流过 零点处开断，分频器用于产生互补的两路信号通过驱动电路输出四路驱动信号，最后实现对半桥逆变器 两只 igbt 的驱动。 3.3 脉冲变压器 3.3.1 脉冲变压器的原理 利用铁心的磁饱和性能把输入的正弦波电压变成窄脉冲形输出电压的变压器16。可用于燃烧器的点 火、晶闸管的触发等。脉冲变压器结构为原绕组套在断面较大的由硅钢片叠成的铁心柱上，副绕组套在 坡莫合金材料制成的断面较小的易于高度饱和的铁心柱上，在两柱中间可设置磁分路。电压和磁通的关 系，输入电压 u1是正弦波，在左面铁心中产生正弦磁通 1。右面铁心中磁通 2高度饱和，是平顶波， 它只有在零值附近发生变化，并立即饱和达到定值。当 2过零值的瞬间，在副绕组中就感应出极陡的窄 脉冲电动势 e2。磁分路有气隙存在，基本上按线性变化，与漏磁相似，其作用在于保证 1为正弦波。 脉冲变压器是一种特殊类型变压器17。它变换的不是正弦电压，也不是交流方波，而是接近矩形的 单极性脉冲。其主要用途包括：升高或降低脉冲电压；改变脉冲的极性；使振荡器的输出与负载匹配。 典型的脉冲变压器集中参数等效电路如图 8 所示。该电路虽采用了集中参数等效电路，大大简化计 算难度，但仍然有 10 个储能元件，要对它进行分析，计算过程仍然过于复杂，因此还需要对其进行进一 步简化。在实际应用可以先忽略引线电感、引线电容、信号源内阻及一、二次侧之间的分布电容，再将 一、二次侧的漏感合并，这样就得到了如图 9 所示的脉冲变压器简化等效电路图。 88 图8 脉冲变压器等效电路 图9 脉冲变压器简化等效电路 由于脉冲变压器二次绕组的分布电容和绕组电阻值远远小于负载的电容和电阻值，因而可以忽略不 计。尽管如此，要对该电路各个方面同时进行分析难度仍然非常大，只有对脉冲变压器输出的前沿、平 顶、后沿和反冲进行分别分析和实验，才能准确把握脉冲变压器的性能。 3.3.2 脉冲变压器的选择 由于变压器负载电路（即倍压电路）中存在较大的电容(在2nf6nf之间)，因此对脉冲上升沿和下 降沿的宽度要求不高，但要求变压器的磁化电感必须足够大。各变压器的参数要严格一致，包括漏感、 分布电容、磁化电感等18。 根据以上要求，为了提高变压器的性能，应选用高饱和磁感应强度、高磁导率、低剩余磁感应强度 及温度稳定性较好的磁性材料。表l为几种常用的磁性材料。从表中可以看出，非晶态合金的工作频率和 饱和磁感应强度较高，但工作温度较低且加工工艺较复杂；铁氧体的饱和磁感应强度太低；而坡莫合金 的饱和磁感应强度较大且工作温度和居里温度都比较高，符合脉冲源要求而且加工方便。因此，在这里 选用了坡莫合金作为铁心材料。 绕制开关变压器最重要的问题是想办法使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可以减小变压器漏 感，因为漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此，在绕制高频变压器线圈时，应 88 尽量使初、次级线圈之间的距离近些。为减小分布参数的影响，初级采用双线并绕连接的结构，次级采 用分段绕制，串联相接的方式，即所谓堆叠绕法。降低绕组间的电压差，提高变压器的可靠性。在变压 器的绝缘方面，线圈绝缘应尽量选用抗电强度高、介质损耗低的复合纤维绝缘纸，提高初、次级之间的 绝缘强度和抗电晕能力。 表2 常用磁性材料性能 性能估基非晶合金坡莫合金铁氧体 饱和磁感应强度b/t50.5 剩余磁感应强度b/t0.2 加工难易易 居里温度/c o 300400200 3.4 倍压电路的设计 3.4.1 倍压电路的原理 现在就图 10 所示的二倍压电路为例，对倍压整流电路进行分析192021。在分析过程中，假定 c1=c2，并略去回路中的等效电阻及漏电流。 （a）电路原理图 （b）工作过程 图 10 二倍压电路整流电路 88 如图 10（b）所示在 0-t1 期间，升压变压器次级电压正向增大到，d1 导通，d2 截止，电压 eo u m u 经 d1 给电容 c2 充电，b 点对 o 点电位上升到。t1-t2 期间电压从减小到，由于这 eo u 2 m u eo u m u 2 m u 时 d1、d2 均反向偏置而截止，a 点对 e 点电位为-，b 对 o 点电位保持为。t2-t3 期间电压 2 m u 2 m u 从减小到-，dl 反向偏置而截止，d2 正向偏置而导通，a 点对 e 点电位由-上升到。 eo u 2 m u m u 2 m u m u b 点对 o 点电位保持为。t3-t4 期间电压从-上升到-，dl 反向偏置而截止，d2 正向偏 2 m u eo u m u 2 m u 置而导通，a 点对 e 点电位由-上升到，b 点对 o 点电位保持为。t4-t6 期间电压从- 2 m u m u 2 m u eo u 上升到 ，d1 正向偏置而导通，d2 反向偏置而截止，a 对 d 点电位由下将到+。b 点对 o 2 m u m u m u 4 m u 点电位由上升到+。依次类推，最后 b 点对 o 点电位可达 2。 2 m u5 4 m u m u 为了获得更高的电压，可以采用串级发生器的方法来获得高压22。串级发生器的基本单元即图 9 的 倍压电路。根据所需电压的高低，把不同级数的倍压电路串接起来即组成串级发生器（如图 11 所示） 。 图11 串级发生器电路原理图 由串级直流发生器原理可知：当交流变压器获得一定电压后，在直流电容器上可以获得双倍乘以级 数的高电压，级数越多，获得的高电压越高。这样，在设计高压直流电源时，可以用较低参数的元件， 获得很高的电压23。但压降和纹波随负荷电流的增大而增大，随电容及频率值的增大而减小，二者都因 级数的增加而迅速上增，为了获得较大的平稳的输出电压，应限制负荷电流及级数，并增大电容及频率 值。n级倍压电路串接而成的发生器有负荷时最大输出电压平均值为 （3-4） fc nnni nuu 6 )234( 2 23 d ma 由上式可知，当n超过一定值时，再增加n将无补于输出电压而徒然增大结构和元件数量。n的临界 数为 （3-5） d m c i fcu n 串级发生器的纹波因数为 （3- x fcr nn s fcu inn u u s 4 ) 1( 4 ) 1( d d d 或 6） 从式（3-4）可知，减小纹波因数和增大输出的负荷电流是矛盾的。为降低发生器输出电压的纹波， 可根据发生器额定电压和电流的大小以及对纹波或电压稳定度的要求，分别或同时采取以下措施： 88 提高每级电容器的工作电压以减小级数n ； 增加每级电容器的电容量； 采用对称回路或三相回路； 提高供电频率。 很显然:措施用减小级数来提高输出电压是个好办法 ，但若级数太少 ，势必要提高变压器的电压 um ，这样将提高对变压器 t 的要求 ，其体积、重量会增加 ，整个电源的体积和重量也势必会增加；措 施的缺点与之相似 ，用增加级电容 c 以提高输出电压 ua 和减小电压脉振的同时 ，高压电源本体的 体积和重量亦会成倍数的加大 ，另外 ，级电容加大 ，电容器储存电荷增多 ，对试验人员的安全也不 利；措施提高交流供电的频率 f ，以减小电压脉振和提高输出电压 是一种较好的方法 它非但不要求 提高变压器、硅堆、级电容的额定工作电压 ，也不要求增大电容器的电容量 ，相反还减小变压器的体 积和电容器的电容量 ，从而大幅度减轻重量、减小体积。提高频率的办法有多种 ，一方面可采用目前 国内、外广泛应用的电力电子技术 ，这在串级直流中可得到很好的应用。另外 ，对于容量较大、要求 纹波很小的直流电源 ，也可用三相或多相交流的整流电路以提高频率的方法 以上分析的是负载引起的脉振和压降，并未考虑杂散电容的影响，事实上由于整流元件等的杂散电 容的存在，输出电压上还会有附加的脉振和压降，但相对较小，对一般发生器可不予考虑，只在要求很 高稳定度的场合才需要考虑。 3.4.2 倍压电路的具体设计 图 12 倍压整流电路 本设计的倍压整流电路采用了五倍压，如图 12 所示。利用二极管的整流和导引作用，将较低的直流 电压分别存在多个电容器上，然后将它们按照相同的极性串接起来，从而得到较高的输出直流电压。组 成电路的主要器件是二极管和电容器。脉冲变压器输出的脉冲高压经倍压整流电路后输出直流高压。 电容 c1 至 c4 选取较大电容，能有效的控制波纹系数24。 88 4 仿真与分析 4.1 proteus 简介及其特点 随着计算机技术飞速发展，电路设计可以通过计算机辅助分析和仿真技术来完成。计算机仿真在教 学中的应用，代替了大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的 集成性和生动直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣，能够突出教 学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的 单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个设计及验证过程的自动化25。 4.1.1 proteus 简介 proteus 软件是英国 labcenter electronics 公司出版的 eda 工具软件。已有近 20 年的历史，在全 球得到了广泛的应用26.proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多功能于一身，不仅能 够对电工、电子技术科学涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，它的强大的 元件库可以和任何电路设计软件相媲美。它的电路仿真功能可以和 multisim 相媲美，且独特的单片机仿 真功能是 multisim 及其他任何仿真软件都不具备的，它的 pcb 电路制版功能可以和 protel 相媲美。 4.1.2 proteus 的特点 proteus isis 实现了单片机仿真和 spice 电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单 片机及其外围电路组成的系统仿真、rs232 动态仿真、i2c 调试器、spi 调试器、键盘和 lcd 系统仿真等 功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支 持的单片机类型有 68000 系列、8501 系列、avr 系列、pic12 系列、pic16 系列、pic18 系列、z80 系列 /hc11 系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试 功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能； 同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 keil c51 uvision2 等软件。具有强大的原理图绘制功能。 4.2 基于 proteus 的电路仿真 电路倍压整流输入为高压脉冲信号，振荡逆变电路中改变输出交流电压的幅值和频率，在仿真中可 以直接修改电源参数可以达到目的。 做出仿真原理图（如图13） 88 图13 仿真原理图 4.2.1 电压频率对稳定时间以及纹波系数的影响 首先取 c12=c13=c14=c15=6f 不变，倍压电路从脉冲变压器获得电压为 10kv，改变 c10 的值，从而 改变电压频率，用示波器对仿真的电压进行提取： 图 14 f=12khz 时的输出电压波形 图 15 f=12khz 电压稳定后的纹波波形 根据示波器显示的数据，图 15 中，vmax=46.979kv，vmin=46.614kv。 所以纹波系数 s=vmax-vmin/ /vav=0.009。 88 图 16 f=11khz 时输出电压波形 图 17 f=11khz 电压稳定后的纹波波形 根据示波器显示的数据，图 17 中，vmax=46.193kv，vmin=45.492kv。 所以纹波系数 s=vmax-vmin/ /vav=0.017。 图 18 f=10khz 时输出电压波形 图 19 f=10khz 电压稳定后的纹波图形 88 根据示波器显示的数据，图 19 中，vmax=44.704kv，vmin=43.398kv。 所以纹波系数 s=vmax-vmin/ /vav=0.029。 由图 14、16、18 对比可以看出，在电压大小不变的情况下，电压的频率越高，它达到稳定所需要的 时间就越短，同时由图 15、17、19 及求得的纹波系数进行对比可以得出结论，即输入电压的频率越高， 输出的电压纹波系数就越小。 4.2.2 电容大小对纹波的影响 脉冲变压器对倍压电路输出 10kv，10kh的脉冲电压不变，改变等值电容 c12、c13、c14、c15、c16 大小，分别取 6f、10f，18f，用示波器对仿真的电压波形进行提取， 由于 c=6f 的输出特性曲线已在图 15、图 16 表示，因此此处测 c=10f 及 c=18f 的特性曲线，所得 如下： 图 20 c=10f 时的输出电压波形 图 21 c=10f 时输出电压稳定后的纹波波形 根据示波器显示的数据，图 21 中，vmax=46.055v，vmin=45.218kv。 所以纹波系数 s=vmax-vmin/ /vav=0.018。 88 图 22 c=18f 时的输出电压波形 图 23 c=18f 时输出电压稳定后的纹波波形 根据示波器显示的数据，图 23 中，vmax=46.348v，vmin=45.008kv。 所以纹波系数 s=vmax-vmin/ /vav=0.008。 将图 15，图 20，图 21 三图以及其纹波系数进行对比，我们可以得出结论，即，如果增大电容量， 将增大输出并减小纹波，但都达不到变压器输出幅值的 5 倍。 4.2.3 倍压电路电容、高压硅堆与电阻的选取 电容器的容量和测量电阻应取较大值，才能获得较稳定的直流输出。取测量电阻 ro为 300m，显示 电阻 r 为 3m，由于该电源的纹波系数 s3%，可以得出 (1) 4 n n c fsr = 6 2 (2 1) 4 50 0.03 (3300) 10 =（f） 9 3.33 10 根据市场情况，取 c6f，耐压 40kv；硅堆主要技术参数为：额定整流电流 0.5a；额定反峰值电 压 30kv。 由于该倍压电路的电压与频率都比较高，因此对二极管有着较严格的要求。在本设计中选用了tj系 列二极管，它能承受30kv的峰值反向工作电压与35kv的非峰值反向工作电压，以及0.5a的平均正向电流 88 27，反向恢复时间为100ns，完全可以满足本设计的要求。 4.3 串级高压整流电路的结构设计 五倍串级高压整流电路它由脉冲变压器输出端作为输入端，输出端接分压器可用于连接示波器进行 电压显示。设计专用的连接结构，将电容器和硅堆刚性地联结在一起，既解决支撑问题，又解决绝缘问 题，为防止沿面放电和局部放电，在连接器内填充高压硅脂以排除空气，在连接器与器件、导线交接处 涂覆绝缘硅橡胶以密封，并将整个电路封装在有机玻璃盒中，实现与箱体及其它零部件间的隔离，提高 使用安全性。 5 总结 本文讨论和研究了高压直流电源的组成及其原理，直流高压电源由整流电路，稳压电路，振荡逆变 电路与倍压电路组成，并对各电路进行分析与设计。在此基础上进行了对输出电压的仿真，并得出结论： 可以通过提高电压的频率来减少电压稳定所需要的时间；通过提高倍压电路的电容大小，能有效的减小 输出电压的纹波系数。最后完成了本课题设计。 参考文献参考文献 1郝立军.直流稳压电源的设计方法m.农业机械化与电气化，2007(1). 2ramires j j， prestwich k r， alexander j a， et al. hermes iii-a 16 tw， short pulse， gamma ray simulator c.in: 7th ieee pulse power conference (karlsruhe， west germany). karlsruhe， west germany: kernforschungszentrum karlsruhe.1988.1: 148-157. 3 张国君， 现代电力电子及电源技术的发展m. http:/www.cps.com.cn.2011 年 5 月访问。 4 魏智， 用于雷达发射机的 14okw 高压开关电源m，现代雷达，2000，6 5 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