高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計(jì)

高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計(jì)劉宏軍;鄧玉福;牛淑芳;詹征;周波;張志美【摘要】倍壓器是高壓電源的一個(gè)重要組成部件?通過(guò)MATLAB仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了半臂逆對(duì)稱式倍壓器倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)高壓電源性能的影響規(guī)律.接著在仿真研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并對(duì)30kV、5mA的高壓電源的性能進(jìn)行了優(yōu)化?在以可控硅(SCR)為功率轉(zhuǎn)換電路的30kV、5mA的電源設(shè)計(jì)中，研究結(jié)果表明在一定的工作頻率條件下,倍壓器參數(shù)的優(yōu)化對(duì)提高電源的效率、降低輸出電壓的紋波值、增強(qiáng)電源的穩(wěn)定性具有顯著的影響,為高頻高壓電源的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)意義.％Thevoltagemultiplierisanimportantcomponentofhighvoltagepowersupply.InthispaperitconductsthesimulationtestsinMATLABenvironmentandexperimentalteststostudytheregularityofhowthevarietyofstagenumberofsemi-arminversesymmetricalvoltagemultiplierandcapacitycanaffecttheperformanceofhighvoltagepowersupply.Theexperimentaltestsarecarriedoutbasedonthesimulationstudies,andtheperformancesof30kV,5mAhighvoltagepowersupplyarealsooptimized.Forthedesignof30kV,5mApowersupplysiliconcontrolledrectifier(SCR)isusedinthepowerconversioncircuit.Theresultsofthestudyshowthatincertainfrequencyconditionoptimizingtheparameterofvoltagemultiplierhassignificanteffectonimprovingtheefficiencyofpowersupply,reducingtheripplefactorofoutputvoltageandenhancingthestabilityofpowersupply,whichprovidesthetheoreticalguidanceforthedesignofhighfrequencyandvoltagepowersupply.期刊名稱】《沈陽(yáng)師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》年(卷),期】2013(031)003【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P376-379)【關(guān)鍵詞】倍壓器;高壓電源；MATLABSimulink【作者】劉宏軍;鄧玉福;牛淑芳;詹征;周波;張志美【作者單位】沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034;沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034;沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034;沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034;沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034;沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng)110034【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM423高壓直流電源作為一種配套設(shè)備已廣泛應(yīng)用于射線檢測(cè)分析設(shè)備、電子束焊機(jī)、靜電除塵、醫(yī)療診斷等各個(gè)行業(yè)［1］。為了獲得所需要的直流高壓，一般需要將市網(wǎng)電進(jìn)行功率變換，通過(guò)升壓變壓器升壓后整流濾波輸出。但是這種方法只是適用于電壓要求不是很高的場(chǎng)合，因?yàn)椴捎眠@種方式獲得高壓，不僅需要更大體積的變壓器，而且還會(huì)增大變壓器繞組的寄生電容，導(dǎo)致變壓器在工作時(shí)產(chǎn)生很大的充放電電流和噪聲，電源變化效率低，對(duì)整流器件的耐壓參數(shù)要求也高，嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)法工作［2］。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，尤其是高頻高壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用，倍壓器被更多應(yīng)用于高電壓電源電路設(shè)計(jì)中［3］。圖1給出的是高頻高壓直流開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。其中CSR逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，高頻變壓器是將逆變電路輸出的電壓進(jìn)行一次升壓，再經(jīng)過(guò)倍壓整流最終輸出直流高壓。倍壓器作為提高輸出電壓的關(guān)鍵，合理的對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)就尤為重要。本文將以30kV、5mA高頻高壓直流開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)為例，研究倍加器倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)電源性能的影響。半臂逆對(duì)稱式倍壓器作為一種最基本的倍壓電路，在微型高壓電源［4］的設(shè)計(jì)中常常被使用。圖2給出的是一級(jí)半臂逆對(duì)稱倍壓電路的原理圖。根據(jù)半臂逆對(duì)稱倍壓電路的工作原理可知：在不考慮倍壓器各器件內(nèi)部壓降的條件下，半臂逆對(duì)稱式倍壓器輸出電壓Uout的值為［5］:輸出電壓的紋波系數(shù)［6］為S:在式（1）、式（2）中，C表示倍壓器電容容值，f為工作頻率，R為負(fù)載電阻，N為變壓器次級(jí)線圈匝數(shù)與初級(jí)線圈匝數(shù)比（N1:N2）,n為倍壓器的倍壓級(jí)數(shù)。其中式（1）給出的是在理想情況下電源的輸出值，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，倍壓器內(nèi)部的器件會(huì)存在一定的內(nèi)阻，從而導(dǎo)致輸出電壓有一定的下降，其下降幅度［7為:通過(guò)采用MATLABSimulink軟件對(duì)30kV、5mA高頻高壓直流開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行仿真，從而探究倍壓電路中電容容值、倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能的影響。在電源工作頻率、電容容值一定的情況下，改變倍壓器的倍壓級(jí)數(shù)，通過(guò)觀察輸出示波器中的電壓波形來(lái)探究倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能的影響。在圖3中給出了倍壓電容容值為2000pF,倍壓級(jí)數(shù)分別為2級(jí)和4級(jí)的情況下輸出電壓的仿真波形圖。由圖3可以看出，增加倍壓器的級(jí)數(shù)后可以提高輸出電壓的值，但延長(zhǎng)了電源達(dá)到穩(wěn)定輸出的時(shí)間。另外，由圖4還可以看出，增加倍壓器的級(jí)數(shù)后還會(huì)增大輸出電壓的波動(dòng)值［8］，這點(diǎn)與理論計(jì)算式（2）的結(jié)果是一致的。圖5給出的是頻率一定，2級(jí)倍壓電路下，且輸出電壓為30kV左右時(shí)，不同電容容值（2000pF、4000pF）的輸出電壓仿真波形圖。由圖5可以看出，增大電容容值后，會(huì)延長(zhǎng)電源達(dá)到穩(wěn)定工作的時(shí)間。另外，對(duì)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的輸出電壓波形進(jìn)行觀察還可以發(fā)現(xiàn)，采用2000pF時(shí)輸出電壓的波動(dòng)范圍為2V，而采用4000pF時(shí)，電壓的波動(dòng)范圍僅為0.8V，這說(shuō)明增大電容容值還有利于降低電源的紋波，提高了電源的穩(wěn)定性。在MATLAB仿真測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步探究實(shí)際應(yīng)用中，倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)電源性能的影響。在表1中給出了30kV、5mA時(shí)不同倍壓級(jí)數(shù)、倍壓器電容的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)表1的3組實(shí)驗(yàn)采用逐點(diǎn)升壓的方式對(duì)其進(jìn)行記錄，并繪制成如圖6和圖7所示的狀態(tài)曲線。由表1及圖6和圖7可以看出，在相同條件下，增加倍壓級(jí)數(shù)后，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，但同時(shí)也增加了電源的供電電壓［9］以及紋波值。另外，增加倍壓級(jí)數(shù)的同時(shí)也擴(kuò)大了電源的體積，因而在對(duì)倍壓級(jí)數(shù)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)該在滿足電源輸出的情況下，選擇級(jí)數(shù)盡可能少的倍壓器，這樣不僅有利于電源的小型化設(shè)計(jì)，且對(duì)于提高電源的穩(wěn)定性也有很大的好處。由表1及圖6可以看出，在相同條件下，當(dāng)倍壓器電容容值由2000pF增加到4000pF時(shí)，盡管功率轉(zhuǎn)換的初期（S10W）效率偏低，但是隨著輸出功率的增加，在實(shí)現(xiàn)30kV輸出時(shí)，4000pF電源的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了將近90%，明顯大于2000pFo另外，由圖8“Uin-Uout”的關(guān)系曲線還可以看出：電容越大，達(dá)到目標(biāo)電壓輸出時(shí)需要的供電電壓越大。通過(guò)采用MATLABSimulink軟件及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)30kV、5mA電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：1）在滿足電源輸出的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小倍壓級(jí)數(shù)，有利于縮小電源的體積、提高電源的穩(wěn)定性；2）適當(dāng)增加倍壓器電容容值，可以降低電源紋波、提高電源的效率。相關(guān)文獻(xiàn)】[1]葉漢民?電子束焊機(jī)用高壓電源的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2001(10):39-42.[2]鄭寶華，程德福，修連存.X射線衍射儀3kW高頻高壓電源設(shè)計(jì)[J]?電源技術(shù)與應(yīng)用，2008(10):71-77.[3]李鑫.電子直線加速器的高壓直流電源研制[D].武漢:華中科技大學(xué)，2009.[4]銀志軍，趙揚(yáng)，孫大維等.倍壓整流電路的仿真與分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2006，21(5):71-75.[5]馬躍.150kV小型變頻高壓電源設(shè)計(jì)[D]?沈陽(yáng)：沈陽(yáng)師范大學(xué)，2011:15-17.[6]魏寶杰，李文杰，張欣榮.MZ-9型通用高壓組合電源倍壓電路設(shè)計(jì)[J]?吉林電子技術(shù)，1988(1)：39-43.[7]MAYue，DENGYufu，ZHANGShuzhi.Acompac