研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計,、倍壓電路的設(shè)計,，控制電路的設(shè)計，并利用PSPICE軟件進行相應(yīng)各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化,。

　　本研究實現(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%,。

　　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幾萬伏,，甚至高達幾十萬伏特或更高,。高壓電源廣泛應(yīng)用于材料改性，金屬冶煉,，環(huán)境保護,，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)達到數(shù)百 Hz，應(yīng)用先進的準諧振技術(shù)甚至可以達到兆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)電源的突出特點是：效率高,、體積小、重量輕,、反應(yīng)快,、儲能少、設(shè)計,、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：

　?、俑哳l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;

　?、诖蟮碾妷鹤兓仁棺儔浩鞯姆蔷€性嚴重化，漏感和分布電容都增加,，使其必須與逆變開關(guān)隔離,，否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至?xí)舸┕β势骷?

　?、鄹哳l化導(dǎo)致變壓器的趨膚效應(yīng)增強,，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)計是目前研究的一個難點和熱點問題,。

　　研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計,、倍壓電路的設(shè)計,，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?，然后通過一個倍壓電路將電壓升高,，最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。

　　主電路設(shè)計

　　1)主電路的拓撲結(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,。該電源能實現(xiàn)零電流軟開關(guān) (ZCS),，并能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓，因為利用了高頻變壓器的寄生參數(shù),，從而避免了尖峰電壓和電流,。該電源的另一個特點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的實時數(shù)字PI調(diào)解器，因而實現(xiàn)了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性,。

　　2) BUCK電路的設(shè)計

　　(1)BUCK電路工作原理,，圖2。

　　當開關(guān)S閉合后，輸入電壓 完全加在二極管D的兩端,，上正下負,，二極管被反偏截止。由于此時電容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)閉合時間的增加,，電感電流逐漸增大,，這個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。

　　當開關(guān)S斷開后,，由于電感電流不能突變,，失去外加激勵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)閉合時電感電流增加,，開關(guān)斷開時電感電流下降,，電容的充、放電電流在一個周期內(nèi)的平均值等于零,，即：在電容充電電流大于零,。

　　(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格比，值得優(yōu)先選用,。本設(shè)計Ui

　　=300V,，ILM=1A,，功率開關(guān)屬于高電壓小電流工作,，實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

　　開通時間ton：lOns

　　關(guān)斷時間toff：9ns

　　續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于最大負載電流,，耐壓必須大于輸入電壓,，且留有余量，此外,，另一個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)時間短，具有軟恢復(fù)特性的肖特基二極管(SBD),，實際采用的型號是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,，電感儲能;toff期間,，Q關(guān)斷，電感電流經(jīng)續(xù)流二極管D向負載釋放能量,。對BUCK部分進行仿真,，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)脈動形狀,，在開關(guān)閉合時電感電流增加，開關(guān)斷開時電感電流下降,。開關(guān)頻率為100kHz,占空比為45%,。

　　(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，它有兩個橋臂,，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成,。在直流側(cè)接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結(jié)點便成為直流電源的中點,。負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結(jié)點之間,。

　　設(shè)開關(guān)器件V1和V2 的柵極信號在一個周期內(nèi)各有半周正偏,，半周反偏，且二者互補,。當負載為感性時,，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 波形隨負載情況而異。設(shè)t2時刻以前V1為通態(tài),，V2為斷態(tài),。t2時刻給V1 關(guān)斷信號，給V2開通信號,，則V1 關(guān)斷,，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流,。當t3時刻t0降為零時,，VD2截止，V2開通,，io 開始反向,。同樣，在t4時刻給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時刻V1 才開通,。各段時間內(nèi)導(dǎo)通器件的名稱標于圖6的下部。

　　當V1或V2 為通態(tài)時,，負載電流和電壓同方向,，直流側(cè)向負載提供能量;而當VD1或VD2 為通態(tài)時，負載電流和電壓反向,，負載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋,，即負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。反饋回的能量暫時儲存在直流側(cè)電容器中,。直流側(cè)電容器起緩沖這種無功能量的作用,。因為二極管VD1、 VD2 是負載向直流側(cè)反饋能量的通道,，故稱為反饋二極管;又因為VD1和VD2 起著使負載電流連續(xù)的作用,，因此又稱為續(xù)流二極管。

　　當可控器件是不具有門極可關(guān)斷能力的晶閘管時,，必須附加強迫換流電路才能正常工作,。

　　半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單,，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud /2,，且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián),，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。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(Power MOSFET)，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,，主要可從以下五個方面考查電器件的性能特點：①導(dǎo)通壓降，②運行頻率,，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)計選取MOSFET作為開關(guān)器件。

　　(3)主要參數(shù)計算及仿真波形

　　一般輸出公率500W以下時,，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MOSFET受給定的脈沖信號控制,，一個開通一個關(guān)斷,，并且有一段死區(qū)時間，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

　　高壓電源高頻化的優(yōu)點是裝置小型化，系統(tǒng)的動態(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。漏感同樣時工作于高頻fs下的感抗較工頻下增加fs /50倍,，嚴重限制了功率輸出;分布電容相同時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(受實驗條件所限，本設(shè)計并未采用),，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

　　(1)倍壓電路

　　本設(shè)計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,，就可以減小整個電源設(shè)備的體積。

　　現(xiàn)就圖10所示四倍壓整流電路進行分析,。在分析過程中,，均假設(shè)各電容的充電速度遠大于放電速度，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,，由于VD1已導(dǎo)通,，C3 上尚無電壓，故C3將通過VD1,、VD3向C3充電;在負半周,，u與C1在向C2充電的同時C3也向尚無電壓的C4 充電,。四倍壓電路在這個周期正,、負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,，每過半個周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經(jīng)過4個半周期,，即兩個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,，負半周重復(fù)圖11(b)的過程,。經(jīng)過若于個周期后，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,，倍壓電路一起進行的仿真實現(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。

　　控制電路

　　按常規(guī)閉環(huán)設(shè)計思想,，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15KV，那么,，當反饋電壓取自輸出電壓時,，這勢必對采樣隔離電路提出較高的絕緣要求，在實際中會難于實現(xiàn),，也會增加電源的制作成本,。考慮到以上情況,，課題中的閉環(huán)設(shè)計的采樣電壓取自BUCK電路的輸出電壓,。

　　根據(jù)經(jīng)驗選取，PI調(diào)節(jié)器的運算放大器選用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,，當基準電壓Vref=-2V時,，輸出直流12V左右，當基準電壓Vref =-2.5V時,，輸出直流電壓15V左右,，可見通過調(diào)節(jié)基準電壓Vref 的值，可以實現(xiàn)本設(shè)計0-15KV大范圍可調(diào),。如圖可見,，電壓閉環(huán)驅(qū)動控制下輸出電壓的波形符合設(shè)計技術(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,，在加輸入擾動后可以基本實現(xiàn)調(diào)節(jié)的無凈差。到此基本完成課題設(shè)計中高壓電源的原理設(shè)計，下面給出實際電路中的芯片控制驅(qū)動,。

　　結(jié)論

　　本文介紹的一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源,，其特點是：①采用了倍壓電路，減小了變壓器的變比,，使其在工藝和制造上成為可能,，并且能夠在一定條件下實現(xiàn)零電流軟開關(guān)，從而大大減小了開關(guān)損耗;②該電源可以工作在110V,、220V不同電壓下,，因為開拓了國內(nèi)外市場;③該拓撲結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn);④該電源利用了DSP,，實現(xiàn)了數(shù)字PI的實時控制,，因而能良好的工作且實現(xiàn)遠程通信。

　　課題設(shè)計主要在PSPICE軟件中完成,，首先分析了高壓電源系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的基本工作原理和仿真優(yōu)化,，其次，在開環(huán)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行了系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計,，調(diào)節(jié)電路各個參數(shù)使閉環(huán)系統(tǒng)的各項指標均達到要求,，并且在存在擾動的情況下可以實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的無凈差調(diào)節(jié)。

　　通過課題高壓電源的設(shè)計過程,，可以得到以下結(jié)論：

　?、籴槍ο到y(tǒng)要求輸出電壓為0-15KV，且輸出功率為15W的情況,，選用BUCK調(diào)壓電路與橋式逆變電路相組合得到高頻脈沖電壓,，后經(jīng)過高頻變壓器和倍壓電路完成升壓和整流作用。

　?、贐UCK閉環(huán)環(huán)節(jié)使用光電耦合器HCNR201進行電壓采樣隔離，MOSFET的隔離驅(qū)動使用HCPL4504和UCC27321共同完成,，保證驅(qū)動電路工作的有效性和安全性,。

　　③逆變電路的控制電路由芯片SG3535和IR2110共同完成,。SG3525控制器集成了過壓保護,、過流保護、軟啟動,、欠電壓鎖定,、擊穿短路保護等功能保證控制信號的準確性。SG3525輸出的PWM信號通過兩片IR2110后驅(qū)動逆變電路的兩個橋臂,，這保證了驅(qū)動信號間的死去時間,，防止橋臂的直通現(xiàn)象。

　?、茈娐吩O(shè)計中擯棄傳統(tǒng)工頻變壓器升壓模式,，而采用高頻變壓器和倍壓電路共同完成升壓作用,，在減小系統(tǒng)體積上有突出作用。