一种小功率高压电源的设计

2011-12-24 14:05:52来源: 互联网
一、引言

  高压电源,又名高压发生器,英文:High voltage power supply,一般是指输出电压在五千伏特以上的电源,一般高压电源的输出电压可达几万伏,甚至高达几十万伏特或更高。我们通常所说的高压电源,一般泛指直流高压电源,直流高压电源又有线性调整高压电源和开关型调整高压电源两种。其技术发展方向主要有两个,一是提高电源功率,即高电压、高电流;二是缩小电源体积,即高电压,小体积,缩小电源的体积主要是提高电源的开关频率。高功率电源,往往体积较大,而小体积电源,往往电流较小,功率较低。除此之外,高转换效率,高负载,高精度,低纹波,也是高压电源设计者的研究方向。

    高压电源已经被广泛地应用?医学、工业无损探伤、车站、海关检验等检测设备中,也广泛应用于诸如雷达发射机、电子航空图显示器等军事领域。传统的高压电源体积大、笨重,严重影响了所配套设备的发展。目前的高压电源多采用开关电源形式,大大降低了体积重量,增加了功率,提高了效率。特别是高压小功率开关电源,几乎都是开关电源结构。本文所讨论的高压小功率开关电源,是为X射线电视透视系统配套设计的。这种系统是对原始X射线设备的改进,它增加一个叫做图像增强器的设备。这种设备采用电极对电子进行加速和聚焦,因而需要与之相配套的小功率高压电源。


  二、方案选择

  1.用途

  高压电源用途很多,主要包括了X光机高压电源,激光高压电源,光谱分析高压电源,无损探伤高压电源,半导体制造设备高压电源,毛细管电泳高压电源,无损检测高压电源,半导体技术中的粒子注入高压电源、物理汽相沉积高压电源(PVD),纳米光刻高压电源,用于离子束沉积、离子束辅助沉积、电子束蒸发、电子束焊接、离子源、直流磁控反应溅射、玻璃/织物镀膜、辉光放电、微波处理高压电容测试、CRT显示器测试、高压电缆故障测试(PD testing)、TWT测试、H-POT测试。粒子加速器、自由电子激光、中子源、回旋加速源器、电容电感脉冲发生网络、Marx高压脉冲发生器、电容充电器。微波加热、射频放大、纳米技术应用、静电技术应用、静电纺丝制备纳米纤维,核仪器用高压电源等的高压电源产品。

    小功率高压电源最常用的例子是电视机的阳极高压发生器,它将几十伏的直流电源,通过功率变换和高压变压器升压,再整流滤波,变为高压输出;另一个应用实例是负离子发生器,常采用晶闸管调压方式。以上两种调压方式都需要一台单独可调的辅助电源,即高、低压组合方式。这样便加大了电源的体积和复杂程度。加之,由于电路结构形式的不同,它们的输出电压范围的调节很有限,需要大范围调节时,只能通过改变供电电压来实现。而X射线增强器的主路电压调节范围近10kV,上述电路形式很难满足要求。本文采用的半桥谐振式开关电源,成功地解决了以上问题。


  三、技术指标

  输入电压    220(1±10%)V,(50±0.5)Hz;或宽范围输入电压180~250V。

  输出电压/电流

  阳极(正)电压/电流

  标称值              +25kV/1mA,

  电压范围            +23kV~+32kV;

  标称值              +7.35kV/200μA,

  电压范围            +6.0kV~+7.8kV;

  标称值              +0.985kV/200μA;

  电压范围            +0.8kV~+1.1kV;

  阴极(负)电压/电流

  标称值              -0.75kV/500μA;

  电压范围            -0.5kV~-1kV。

  以上4路电压连动输出。

  稳定度            1%。

  工作温度范围    0℃~+40℃。

  存贮温度范围    -40℃~+55℃。

  外形尺寸        160mm×135mm×43mm。

  图像增强器的电极在加工时不可避免存在有毛刺,在高电压下尖端放电击穿打火。要把毛刺烧掉,需要有较大的电流。这样,一方面要求电源输出功率设计得更要大些,另一方面应有完善的保护措施。


  四、系统框图及工作原理

  25kV小型化高压电源的系统框图如图1所示。

 

图1    系统框图

  输入的市电经净化滤波后整流成300V左右的直流电压加到半桥电路的MOS管上。控制电路由最常用SG3525芯片组成。控制电路通过高压部件反馈绕组检测输出电压的变化量,产生激励脉冲去驱动功率MOS场效应管,实现稳压输出。

五、技术难点及解决办法

  1.体积与绝缘

  这种电源是专为X射线增强器配套的,它被安装在X射线增强器底座下一个狭小的空间,因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择,电路的性能及绝缘,散热等问题有直接关系。本电路将功率变换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置,并选择高强度的绝缘介质填充高压部分,很好地解决了这个问题。

  2.高频高压变压器

  高频高压变压器是高压电源的核心部件。在低压(功率)变压器中,可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题,因而可以忽略分布电容的影响。在高频高压变压器中,由于匝数增多,特别是次级匝数增多,当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时,必须考虑分布电容和漏感问题。这时,变压器模型如图2所示。L1为漏感,Cp和Cs分别为初级和次级的分布电容。变压器漏感L1和次级分布电容构成了串联谐振电路。当变压器次级开路或负载较轻时变压器可看成电感,因而与次级分布电容Cs构成并联谐振电路,其等效电路如图3所示。发生谐振时,电容两端的电压会高出工作电压,也就是说变压器内部的电压会高于输出电压。这无形中增大了对变压器的耐压要求。因而在变压器的绕制过程中,要尽量减少分布电容和漏感。假设各层电容相等,绕组共有m层,则分布电容Cs=C(C为次级绕组固有电容,N2为次级绕组匝数)。当次级匝数一定时,次级等效到初级的分布电容与次级的层数有关,层数越多分布电容越小。每一层上的匝数越少,分布电容越小。为了减小分布电容,采取分段分组绕制方式,并增加层数,减小每层匝数。变压器采用马蹄形铁氧体磁芯,其绕制示意如图4所示。

 

图2    考虑分布电容的变压器模型

 

图3    分布电容折合到初级的等效电路

 

图4    高压变压器绕制示意图

  实践证明,分段分组绕制法还较好地解决了高压变压器的绝缘问题。

  3. 输入电压范围的调制

  工作在高频高压条件下的小功率电源,输入电压范围的调节会出现困难。不但调整率很差,而且在输入电压超过一定值时,电源无输出,或输出电压不稳定。原因是高压小功率电源的占空比很小,工作时的导通脉宽很窄(呈窄脉冲工作状态)。当输入电压升高时,输出能量不变,脉冲宽度变窄,幅度加长。输入电压升高到一定限度,控制电路呈失控状态,无法实现有效的闭环控制,导致整个电路关闭。为解决这个问题,经过分析试验,设计了一个输入电压调节电路,如图5所示。

 

图5    输入电压调节电路

  它实际上是一个输入电压预稳压电路,输入电压经过它,成为基本稳定的电压,再加到主电路(开关电路)上。

  经过调试,试验和长期装机应用,证明了该电路的稳定与可靠。表1是设置输入电压调节电路与没有设置时的实测数据。为简化起见,这里只给出输出主电路(25kV)参数。明显看出,加了该电路后,输入电压调整率大大提高,输入电压调节范围也增至250V。

  表1    输入电压变化对输出电压的影响

 

  由于上电时,输入端瞬间冲击电流很大,对输入电压调节电路造成危害。为此,还专门设计了输入缓冲电路。

  另外,高压电源变压器的变比n大,变压器次级反馈到初级变化率较小,带来的问题是稳压效果不理想。这样,还设计了输出电压预稳压电路。因篇幅有限,实际电路从略。

六、开关电路的仿真实验

  所谓开关电源,故名思议,就是这里有一扇门,一开门电源就通过,一关门电源就停止通过,那么什么是门呢,开关电源里有的采用可控硅,有的采用开关管,这两个元器件性能差不多,都是靠基极、(开关管)控制极(可控硅)上加上脉冲信号来完成导通和截止的,脉冲信号正半周到来,控制极上电压升高,开关管或可控硅就导通,由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通,通过开关变压器传到次级,再通过变压比将电压升高或降低,供各个电路工作

开关级电路原理图如

[1] [2]

关键字:小功率  高压电源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1224/article_13597.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
小功率
高压电源

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved