一種小型化高壓小功率電源的設(shè)計(jì)

1、一種小型化高壓小功率電源的設(shè)計(jì)文章作者:中國航空計(jì)算技術(shù)研究所 張阿林 陜西西安工業(yè)大學(xué) 張曉燕文章加入時間:2004年 9月 1日 9:16:13摘要:論述了一種小型化的高壓電源,它一改傳統(tǒng)的高、低壓組合式為一體化式,從而使體積、 重量都大大減小。同時指出了開關(guān)電源技術(shù)在高壓小功率電源應(yīng)用中存在的問題和解決辦法。在研 制和實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用了 PSPICE 仿真技術(shù),給出實(shí)測和仿真波形。關(guān)鍵詞:小型化 高壓變壓器 高壓電源 仿真引言高壓電源已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用 ? 醫(yī)學(xué)、工業(yè)無損探傷、車站、海關(guān)檢驗(yàn)等檢測設(shè)備中,也廣泛應(yīng)用于 諸如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子航空圖顯示器等軍事領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源體積大、笨重,嚴(yán)

2、重影響了所配 套設(shè)備的發(fā)展。目前的高壓電源多采用開關(guān)電源形式,大大降低了體積重量,增加了功率,提高了 效率。特別是高壓小功率開關(guān)電源,幾乎都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本文所討論的高壓小功率開關(guān)電源, 是為 X 射線電視透視系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的。 這種系統(tǒng)是對原始 X 射線設(shè)備的改進(jìn), 它增加一個叫做圖像 增強(qiáng)器的設(shè)備。 這種設(shè)備采用電極對電子進(jìn)行加速和聚焦, 因而需要與之相配套的小功率高壓電源。1 方案選擇小功率高壓電源最常用的例子是電視機(jī)的陽極高壓發(fā)生器,它將幾十伏的直流電源,通過功率變 換和高壓變壓器升壓,再整流濾波,變?yōu)楦邏狠敵?另一個應(yīng)用實(shí)例是負(fù)離子發(fā)生器,常采用晶閘 管調(diào)壓方式。以上兩種調(diào)壓方式都需

3、要一臺單獨(dú)可調(diào)的輔助電源,即高、低壓組合方式。這樣便加 大了電源的體積和復(fù)雜程度。 加之, 由于電路結(jié)構(gòu)形式的不同, 它們的輸出電壓范圍的調(diào)節(jié)很有限,需要大范圍調(diào)節(jié)時,只能通過改 變供電電壓來實(shí)現(xiàn)。而 X 射線增 強(qiáng) 器 的 主 路 電 壓 調(diào) 節(jié) 范 圍 近 10kV ,上述電路形式很難滿足要 求。本文采用的半橋諧振式開關(guān) 電源,成功地解決了以上問題。2 技術(shù)指標(biāo)輸 入 電 壓 220(1±10% V , (50±0.5 Hz ;或?qū)挿秶斎腚?壓 180250V 。輸出電壓/電流陽極(正電壓 /電流標(biāo)稱值+25kV/1mA,電壓范圍+23kV +32kV ; 標(biāo)稱值+7

4、.35kV/200µA,電壓范圍+6.0kV +7.8kV ;標(biāo)稱值+0.985kV/200µA;電壓范圍+0.8kV +1.1kV ;陰極(負(fù)電壓 /電流標(biāo)稱值-0.75kV/500µA;電壓范圍-0.5kV -1kV 。以上 4路電壓連動輸出。穩(wěn)定度 1%。工作溫度范圍 0 +40 。存貯溫度范圍-40 +55 。外形尺寸 160mm×135mm×43mm。 圖像增強(qiáng)器的電極在加工時不可避免存在有毛刺, 在高電壓下尖端放電擊穿打火。 要把毛刺燒掉, 需要有較大的電流。這樣,一方面要求電源輸出功率設(shè)計(jì)得更要大些,另一方面應(yīng)有完善的保護(hù)措 施。

5、3 系統(tǒng)框圖及工作原理25kV小型化高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖 1所示。輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成 300V 左右的直流電壓加到半橋電路的 MOS 管上。 控制電路由最 常用 SG3525芯片組成?？刂齐娐吠ㄟ^高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量,產(chǎn)生激勵脈沖去 驅(qū)動功率 MOS 場效應(yīng)管,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。4 技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法4.1 體積與絕緣這種電源是專為 X 射線增強(qiáng)器配套的, 它被安裝在 X 射線增強(qiáng)器底座下一個狹小的空間, 因而要 求體積小。體積的減小與電路形式的選擇,電路的性能及絕緣,散熱等問題有直接關(guān)系。本電路將 功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置,并選擇高強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)

6、填充高壓部分,很 好地解決了這個問題。 4.2 高頻高壓變壓器高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓(功率變壓器中,可以不考慮波形的畸變和工 作頻帶的問題,因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中,由于匝數(shù)增多 , 特別是次級匝 數(shù)增多 , 當(dāng)變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時,必須考慮分布電容和漏感問題。這時,變壓器模型如圖 2所示。 L1為漏感, Cp 和 Cs 分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感 L1和次級 分布電容構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。當(dāng)變壓器次級開路或負(fù)載較輕時變壓器可看成電感 , 因而與次級分布 電容 Cs 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路, 其等效電路如圖 3所示。 發(fā)生諧振時

7、, 電容兩端的電壓會高出工作電壓, 也就是說變壓器內(nèi)部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器的耐壓要求。因而在變壓器 的繞制過程中, 要盡量減少分布電容和漏感。 假設(shè)各層電容相等, 繞組共有 m 層, 則分布電容 Cs=C (C 為次級繞組固有電容, N2為次級繞組匝數(shù) 。當(dāng)次級匝數(shù)一定時,次級等效到初級的分布電容 與次級的層數(shù)有關(guān),層數(shù)越多分布電容越小。每一層上的匝數(shù)越少,分布電容越小。為了減小分布 電容,采取分段分組繞制方式,并增加層數(shù),減小每層匝數(shù)。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯,其繞 制示意如圖 4所示。實(shí)踐證明,分段分組繞制法還較好地解決了高壓變壓器的絕緣問題。 4.3 輸入電壓范

8、圍的調(diào)制工作在高頻高壓條件下的小功率電源,輸入電壓范圍的調(diào)節(jié)會出現(xiàn)困難。不但調(diào)整率很差,而且 在輸入電壓超過一定值時, 電源無輸出, 或輸出電壓不穩(wěn)定。 原因是高壓小功率電源的占空比很小, 工作時的導(dǎo)通脈寬很窄(呈窄脈沖工作狀態(tài) 。當(dāng)輸入電壓升高時,輸出能量不變,脈沖寬度變窄, 幅度加長。輸入電壓升高到一定限度,控制電路呈失控狀態(tài),無法實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制,導(dǎo)致整個 電路關(guān)閉。為解決這個問題,經(jīng)過分析試驗(yàn),設(shè)計(jì)了一個輸入電壓調(diào)節(jié)電路,如圖 5所示。它實(shí)際上是一個輸入電壓預(yù)穩(wěn)壓電路,輸入電壓經(jīng)過它,成為基本穩(wěn)定的電壓,再加到主電路(開 關(guān)電路上。 經(jīng)過調(diào)試,試驗(yàn)和長期裝機(jī)應(yīng)用,證明了該電路的穩(wěn)定與

9、可靠。表 1是設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)電路與沒 有設(shè)置時的實(shí)測數(shù)據(jù)。為簡化起見,這里只給出輸出主電路(25kV 參數(shù)。明顯看出,加了該電路 后,輸入電壓調(diào)整率大大提高,輸入電壓調(diào)節(jié)范圍也增至 250V 。表 1 輸入電壓變化對輸出電壓的影響輸入電壓 /V 有輸入電壓調(diào)節(jié)的輸出電壓 /kV 無輸入電壓調(diào)節(jié)的輸出電壓 /kV 180 26.2 22242 27.5 無輸出250 27.7 無輸出由于上電時，輸入端瞬間沖擊電流很大， 對輸入電壓調(diào)節(jié)電路造成危害。為此，還專 門設(shè)計(jì)了輸入緩沖電路。 另外，高壓電源變壓器的變比 n 大，變壓 器次級反饋到初級變化率較小， 帶來的問題 是穩(wěn)壓效果不理想。 這樣,還

10、設(shè)計(jì)了輸出電壓 預(yù)穩(wěn)壓電路。因篇幅有限，實(shí)際電路從略。 5 開關(guān)電路的仿真實(shí)驗(yàn) 開關(guān)級電路原理圖如圖 6 所示。 這里開關(guān) 級的負(fù)載是高頻高壓變壓器， 它的輸入特性 與負(fù)載的特性有關(guān)。在高壓小功率應(yīng)用中， 由于輸出電流小，負(fù)載電阻大，次級整流二 極管的導(dǎo)通角很小。為便于建立仿真模型。 可忽略負(fù)載電阻的影響。 由于應(yīng)用了仿真技術(shù)， 大大簡化了實(shí)驗(yàn)過 程，降低了設(shè)計(jì)周期。用 PSPICE 仿真程序 對圖 6 電路分為輕載 10µA 和重載 1mA 兩種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖 7(a和圖 8(a。 在以后進(jìn)行的電路實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測的電流波形見圖 7(b和圖 8(b與仿真的波形基本相符。另外，從仿 真波形還可看到輕載時的浪涌電流峰值較大，與重載時幾乎相等。變壓器空載損耗增加，導(dǎo)致變壓 器發(fā)熱，這是需要進(jìn)一步解決的問題。 6 結(jié)語 經(jīng)過小批量生產(chǎn)和幾