一款小型化高压小功率电源的设计

2013-12-06 15:07:21来源: 互联网

引言

  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。

  方案选择

  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。

  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。

  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。

系统框图

  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。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

考虑分布电容的变压器模型

  图2 考虑分布电容的变压器模型

  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。

分布电容折合到初级的等效电路

  图3 分布电容折合到初级的等效电路

高压变压器绕制示意图

  图4 高压变压器绕制示意图

  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。

输入电压调节电路

  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.

输入电压变化对输出电压的影响

  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。

  4、开关电路的仿真实验

开关电路电原理图

  图6 开关电路电原理图

  开关级电路原理图如图6所示。这里开关级的负载是高频高压变压器,它的输入特性与负载的特性有关。在高压小功率应用中,由于输出电流小,负载电阻大,次级整流二极管的导通角很小。为便于建立仿真模型。可忽略负载电阻的影响。

仿真波形、实验波形

仿真波形、实验波形

  由于应用了仿真技术,大大简化了实验过程,降低了设计周期。用PSPICE仿真程序对图6电路分为轻载10μA和重载1mA两种情况进行仿真,结果见图 7(a)和图8(a)。在以后进行的电路实验中,实测的电流波形见图7(b)和图8(b)与仿真的波形基本相符。另外,从仿真波形还可看到轻载时的浪涌电流峰值较大,与重载时几乎相等。变压器空载损耗增加,导致变压器发热,这是需要进一步解决的问题。

  结语

  经过小批量生产和几年的装机使用,证明该电源达到了设计要求,性能稳定、可靠,可以替代同种类产品(例如日本某公司生产的汤姆逊电源)。

  在X射线增强器生产工序中,需配置一台大功率的高压(输出电压高达30kV)电源,对半成品进行老化,打毛刺。由于本电源性能已满足上述要求,可以用来替代这台大功率电源,既节省了设备,又缩短了生产加工周期。

关键字:高压  小功率  电源

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1206/article_21625.html
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