基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

..本文設(shè)計(jì)了一種可調(diào)的小功率高壓電源,其主電路拓?fù)浒˙uck模塊、逆變電路、高頻變壓器和倍壓電路。輸入的交流電源經(jīng)整流濾波電路變?yōu)橹绷?通過BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定,再經(jīng)過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?然后通過一個(gè)倍壓電路將電壓升高,最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計(jì)、半橋逆變電路分析設(shè)計(jì)、倍壓電路的設(shè)計(jì),控制電路的設(shè)計(jì),并利用PSPICE軟件進(jìn)行相應(yīng)各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化。本研究實(shí)現(xiàn)的主要性能是：給定輸入電壓是交流220V,要求輸出電壓在范圍0~15KV內(nèi)大范圍可調(diào),功率為15W,輸出紋波要小于1%.0引言高壓電源一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源,一般高壓電源的輸出電壓可達(dá)幾萬伏,甚至高達(dá)幾十萬伏特或更高。高壓電源廣泛應(yīng)用于材料改性,金屬冶煉,環(huán)境保護(hù),大功率激光和微波等應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)高壓電源采用工頻電源和LC諧振方式,雖然電路簡單,但其體積和重量大,低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意,隨著電力電子的發(fā)展,高頻高壓電源成為發(fā)展的趨勢。隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn),并不斷地被應(yīng)用于開關(guān)電源,使得開關(guān)電源的性能不斷提高,特點(diǎn)不斷更新,出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。20世紀(jì)70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命,即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)<PWM>在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止,電源的頻率已經(jīng)達(dá)到數(shù)百Hz,應(yīng)用先進(jìn)的準(zhǔn)諧振技術(shù)甚至可以達(dá)到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積,進(jìn)而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小,輕巧便攜,實(shí)用性和使用方便性明顯得到改善。近幾年,隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT等應(yīng)用,高頻逆變技術(shù)的逐步成熟,出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源,同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點(diǎn)是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲(chǔ)能少、設(shè)計(jì)、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性,現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。伴隨著高新技術(shù)的逐步應(yīng)用,新的技術(shù)問題也隨之出現(xiàn),主要表現(xiàn)在高頻化可以提高電源性能,減少變壓器的體積和紋波系數(shù)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存,出現(xiàn)了新的技術(shù)難點(diǎn)：①高頻高壓變壓器體積減小,頻率升高,分布容抗變小,絕緣問題異常突出;②大的電壓變化比使變壓器的非線性嚴(yán)重化,漏感和分布電容都增加,使其必須與逆變開關(guān)隔離,否則尖峰脈沖會(huì)影響到逆變電路的正常工作,甚至?xí)舸┕β势骷?③高頻化導(dǎo)致變壓器的趨膚效應(yīng)增強(qiáng),使變壓器效率降低。鑒于上述情況,高頻高壓變壓器如何設(shè)計(jì)是目前研究的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計(jì)、半橋逆變電路分析設(shè)計(jì)、倍壓電路的設(shè)計(jì),以及系統(tǒng)仿真研究。該電路包括輸入整流濾波電路、BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路、半橋逆變電路、倍壓電路和輸出整流濾波電路。輸入的交流電源經(jīng)整流濾波電路變?yōu)橹绷?通過BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定,再經(jīng)過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?然后通過一個(gè)倍壓電路將電壓升高,最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。1主電路設(shè)計(jì)1>主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)<圖1>這里主要介紹了一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源。該電源能實(shí)現(xiàn)零電流軟開關(guān)<ZCS>,并能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓,因?yàn)槔昧烁哳l變壓器的寄生參數(shù),從而避免了尖峰電壓和電流。該電源的另一個(gè)特點(diǎn)是利用倍壓電路代替了傳統(tǒng)的二極管整流電路,減小了高頻變壓器的變比和寄生參數(shù);尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯(lián)合策略,即采用Buck可十分方便、靈活地進(jìn)行電壓調(diào)節(jié);采用定頻定寬的逆變電路可利用高頻變壓器的寄生參數(shù)實(shí)現(xiàn)諧振軟開關(guān)。此外,由于該電源無需利用調(diào)節(jié)逆變電路的占空比來調(diào)節(jié)電壓,因而可充分利用高頻變壓器的磁性;而且由于其控制電路采用了基于DSP的實(shí)時(shí)數(shù)字PI調(diào)解器,因而實(shí)現(xiàn)了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。2>BUCK電路的設(shè)計(jì)<1>BUCK電路工作原理,圖2.當(dāng)開關(guān)S閉合后,輸入電壓完全加在二極管D的兩端,上正下負(fù),二極管被反偏截止。由于此時(shí)電容C的初始電壓為零<Vc=Vo輸出電壓為零>,電容電壓不能突變,所以輸入電壓完全加在電感L之上,形成經(jīng)開關(guān)S、電感L、電容C和電阻R構(gòu)成的回路建立起初始電流。隨著開關(guān)閉合時(shí)間的增加,電感電流逐漸增大,這個(gè)電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流,另一部分對電容充電使電容兩端的電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立,在開關(guān)S閉合期間電感電流的增量相對較大,而輸出給R的負(fù)載電流與電容電壓成正比,故開始階段電容的充電電流最大,電容電壓上升得最快。當(dāng)開關(guān)S斷開后,由于電感電流不能突變,失去外加激勵(lì)趨于下降的電感電流在電感L兩端產(chǎn)生感應(yīng)左正右負(fù)的感應(yīng)電勢,這一感應(yīng)電勢將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導(dǎo)通,形成L→C、R→D→L的續(xù)流回路。開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加,開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降,電容的充、放電電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值等于零,即：在電容充電電流大于零<iL<><2>主開關(guān)管及續(xù)流二極管的選擇VDMOS管為電壓控制器件,驅(qū)動(dòng)容易,沒有二次擊穿現(xiàn)象,熱穩(wěn)定性好,安全工作區(qū)<SOA>大,開關(guān)速度快,開關(guān)損耗小,就目前VDMOS管的制造水平,在高頻中小功率范圍,尤其在高電壓小電流或低電壓大電流應(yīng)用場合,VDMOS管具有很高的性能價(jià)格比,值得優(yōu)先選用。本設(shè)計(jì)Ui=300V,ILM=1A,功率開關(guān)屬于高電壓小電流工作,實(shí)際選用的功率場效應(yīng)管型號是IRF840,其主要參數(shù)如下：最大反壓VDSVDS:500V連續(xù)工作電流ID:8A峰值電流IDM:32A導(dǎo)通電阻Ron:<0.85Ω開通時(shí)間ton:lOns關(guān)斷時(shí)間toff:9ns續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于最大負(fù)載電流,耐壓必須大于輸入電壓,且留有余量,此外,另一個(gè)根重要的考慮是為減因漏感和引線電感產(chǎn)生的尖峰電壓,續(xù)流二極管宜采用反向恢復(fù)時(shí)間短,具有軟恢復(fù)特性的肖特基二極管<SBD>,實(shí)際采用的型號是FR307,其反向電壓為700V,正向額定電流為3A.<3>仿真波形圖BUCK電路如圖3所示,電路采用串聯(lián)開關(guān)降壓式結(jié)構(gòu),其中Q為功率場效應(yīng)管MOSFET.ton期間,控制信號使Q導(dǎo)通,電流增大,電感儲(chǔ)能;toff期間,Q關(guān)斷,電感電流經(jīng)續(xù)流二極管D向負(fù)載釋放能量。對BUCK部分進(jìn)行仿真,得到如下波形：如圖4所示,Buck電路的輸出電壓保持在140V左右,電感電流呈現(xiàn)脈動(dòng)形狀,在開關(guān)閉合時(shí)電感電流增加,開關(guān)斷開時(shí)電感電流下降。開關(guān)頻率為100kHz,占空比為45%.2逆變電路的設(shè)計(jì)<1>半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路原理圖如圖5所示,它有兩個(gè)橋臂,每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容,兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)便成為直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)接在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。設(shè)開關(guān)器件V1和V2的柵極信號在一個(gè)周期內(nèi)各有半周正偏,半周反偏,且二者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí),其工作波形如圖6所示。輸出電壓uo為矩形波,其幅值為Um=Ud/2.輸出電流io波形隨負(fù)載情況而異。設(shè)t2時(shí)刻以前V1為通態(tài),V2為斷態(tài)。t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號,給V2開通信號,則V1關(guān)斷,但感性負(fù)載中的電流io不能立即改變方向,于是VD2導(dǎo)通續(xù)流。當(dāng)t3時(shí)刻t0降為零時(shí),VD2截止,V2開通,io開始反向。同樣,在t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號,給V2開通信號后,V2關(guān)斷,VD1先導(dǎo)通續(xù)流,t5時(shí)刻V1才開通。各段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通器件的名稱標(biāo)于圖6的下部。當(dāng)V1或V2為通態(tài)時(shí),負(fù)載電流和電壓同方向,直流側(cè)向負(fù)載提供能量;而當(dāng)VD1或VD2為通態(tài)時(shí),負(fù)載電流和電壓反向,負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋,即負(fù)載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中。直流側(cè)電容器起緩沖這種無功能量的作用。因?yàn)槎O管VD1、VD2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道,故稱為反饋二極管;又因?yàn)閂D1和VD2起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用,因此又稱為續(xù)流二極管。當(dāng)可控器件是不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí),必須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。半橋逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單,使用器件少。其缺點(diǎn)是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2,且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串聯(lián),工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。因此,半橋逆變電路常用于幾KW以下的小功率逆變電源。<2>開關(guān)器件的選取在調(diào)壓及逆變電路中,開關(guān)器件起著核心的作用。開關(guān)器件有很多種,如按功率等級來分類,有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等：按制造材料分類有鍺管、硅管等;按導(dǎo)電機(jī)理分類有雙極型器件、單極型器件、混合型器件等;按控制方式來分類,可分為不可控器件、半可控器件和全可控器件三類器件：不可控器件包括整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管等：半可控器件包括普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等;全可控器件包括功率晶體管<BJT>、功率場效應(yīng)管功率場效應(yīng)管<PowerMOSFET>,絕緣柵雙極型晶體管<IGBT>、靜電感應(yīng)晶體管<SIT>、可關(guān)斷晶閘管<GTO>、靜電感應(yīng)晶閘管<SITH>等。在選取開關(guān)器件時(shí),主要可從以下五個(gè)方面考查電器件的性能特點(diǎn)：①導(dǎo)通壓降,②運(yùn)行頻率,③器件容量,④耐沖擊能力,⑤可靠性。在本系統(tǒng)中,需要全控性的<能夠自關(guān)斷>開關(guān)器件,IGBT是具有功率MOSFET高速開關(guān)特性和雙極晶體管的低導(dǎo)通電壓特性的兩者優(yōu)點(diǎn)并存的電力半導(dǎo)體器件,可以高速開關(guān)、耐高壓和大電流,所以本設(shè)計(jì)選取MOSFET作為開關(guān)器件。<3>主要參數(shù)計(jì)算及仿真波形一般輸出公率500W以下時(shí),考慮采用半橋仿真逆變電路如圖7所示。仿真波形如圖8所示,兩個(gè)MOSFET受給定的脈沖信號控制,一個(gè)開通一個(gè)關(guān)斷,并且有一段死區(qū)時(shí)間,經(jīng)過半橋逆變電路后,輸出給高頻變壓器的電壓為交流70V左右。3>高頻變壓器的設(shè)計(jì)高壓電源高頻化的優(yōu)點(diǎn)是裝置小型化,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)快;電源裝置效率高;有效抑制環(huán)境噪聲污染。但高壓電源高頻化發(fā)展的阻礙主要體現(xiàn)在高頻高壓變壓器上,其主要問題是：一、高頻變壓器體積減小,但絕緣問題突出。二、電壓輸出高則變壓器的變比較高,而大變比必然使變壓器的非線性嚴(yán)重,使其漏感和分布電容大大增加。圖9為高頻高壓變壓器等效電路簡化模型,它由漏感LD、副邊分布電容Cp和理想變壓器組成。漏感同樣時(shí)工作于高頻fs下的感抗較工頻下增加fs/50倍,嚴(yán)重限制了功率輸出;分布電容相同時(shí)高頻下的容抗較工頻下減小至50/fs,導(dǎo)致空載電流大,功率因數(shù)低,空載發(fā)熱問題突出。對上述問題的處理方法是變壓器真空浸油處理<受實(shí)驗(yàn)條件所限,本設(shè)計(jì)并未采用>,并采用大磁芯保證足夠的絕緣距離,以減小分布電容Cp及其影響,但Cp減小必使LD增加。4>倍壓電路的設(shè)計(jì)<1>倍壓電路本設(shè)計(jì)在升壓變壓器輸出后采用了倍壓電路二次升壓,這樣可以減小變壓器的體積,提高效率。倍壓整流不僅可以將交流電轉(zhuǎn)換成直流電<整流>,而且不需要再增加濾波電容。它能夠在一定的電壓之下,得到高出若干倍的直流電壓<倍壓>。只要倍壓電路中使用電容的總體積不是很大,就可以減小整個(gè)電源設(shè)備的體積?，F(xiàn)就圖10所示四倍壓整流電路進(jìn)行分析。在分析過程中,均假設(shè)各電容的充電速度遠(yuǎn)大于放電速度,并將導(dǎo)通的二極管用短路線來代替。開始工作后,在第一周期的正半周,電壓u經(jīng)二極管VD1給電容C1充電到um,在負(fù)半周u與C1上的電壓串聯(lián)起來給C2充電。在下一周期的正半周,電壓u在給C1充電的同時(shí),由于VD1已導(dǎo)通,C3上尚無電壓,故C3將通過VD1、VD3向C3充電;在負(fù)半周,u與C1在向C2充電的同時(shí)C3也向尚無電壓的C4充電。四倍壓電路在這個(gè)周期正、負(fù)半周的工作過程如圖11所示。由此可看出,在這種倍壓整流電路中其能量是由前向后逐步傳遞的,每過半個(gè)周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經(jīng)過4個(gè)半周期,即兩個(gè)周期就有一部分能量傳到最后的電容C4上。在以后的各周期中,正半周重復(fù)圖11<a>的過程,負(fù)半周重復(fù)圖11<b>的過程。經(jīng)過若于個(gè)周期后,除電容C1上的電壓為um外,其余電容上的電壓均為2um.負(fù)載RL上得到的電壓為C2、C4上電壓之和即4um.以此類推,對于四級級<八倍壓>整流電路,也可以得到相同的結(jié)論。本設(shè)計(jì)所用的八倍壓整流電路如圖12所示：<2>仿真波形由高頻變壓器輸入給倍壓電路的交流電壓大約2千伏,經(jīng)八倍壓整流電路的倍壓整流,最后輸出直流電壓可達(dá)15千伏左右。如下圖是將半橋逆變電路,高頻變壓器,倍壓電路一起進(jìn)行的仿真實(shí)現(xiàn)電路。如圖13.如圖14所示,輸入高頻變壓器的電壓為交流70V,通過變比為30的高頻變壓器輸出電壓升高為2kV左右,再通過八倍壓整流電路,最后輸出電壓15kV左右。3控制電路按常規(guī)閉環(huán)設(shè)計(jì)思想,閉環(huán)的反饋電壓應(yīng)取自輸出電壓,但課題中高壓電源的輸出電壓高達(dá)15KV,那么,當(dāng)反饋電壓取自輸出電壓時(shí),這勢必對采樣隔離電路提出較高的絕緣要求,在實(shí)際中會(huì)難于實(shí)現(xiàn),也會(huì)增加電源的制作成本?？紤]到以上情況,課題中的閉環(huán)設(shè)計(jì)的采樣電壓取自BUCK電路的輸出電壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取,PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)算放大器選用LM7131B/NS,比較器選用LM339.R1=20K,R2=100K,C=5n.PSPICE中閉環(huán)電路原理圖,如圖15所示。通過PSPICE仿真得到如圖16波形：如圖所示,當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref=-2V時(shí),輸出直流12V左右,當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref=-2.5V時(shí),輸出直流電壓15V左右,可見通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓Vref的值,可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)0-15KV大范圍可調(diào)。如圖可見,電壓閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制下輸出電壓的波形符合設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)要求。由前面波形可以看出,閉環(huán)電路可以正常工作,在加輸入擾動(dòng)后可以基本實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的無凈差。到此基本完成課題設(shè)計(jì)中高壓電源的原理設(shè)計(jì),下面給出實(shí)際電路中的芯片控制驅(qū)動(dòng)。4結(jié)論本文介紹的一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源,其特點(diǎn)是：①采用了倍壓電路,減小了變壓器的變比,