一種小型化高壓小功率電源

摘要：論述了一種小型化的高壓電源，它一改傳統(tǒng)的高、低壓組合式為一體化式，從而使體積、重量都大大減小。同時(shí)指出了開關(guān)電源技術(shù)在高壓小功率電源應(yīng)用中存在的問題和解決辦法。在研制和實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用了PSPICE仿真技術(shù)，給出實(shí)測和仿真波形。

關(guān)鍵詞：小型化；高壓變壓器；高壓電源；仿真

0??? 引言

??? 高壓電源已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用?醫(yī)學(xué)、工業(yè)無損探傷、車站、海關(guān)檢驗(yàn)等檢測設(shè)備中，也廣泛應(yīng)用于諸如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子航空圖顯示器等軍事領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源體積大、笨重，嚴(yán)重影響了所配套設(shè)備的發(fā)展。目前的高壓電源多采用開關(guān)電源形式，大大降低了體積重量，增加了功率，提高了效率。特別是高壓小功率開關(guān)電源，幾乎都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本文所討論的高壓小功率開關(guān)電源，是為X射線電視透視系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的。這種系統(tǒng)是對原始X射線設(shè)備的改進(jìn)，它增加一個(gè)叫做圖像增強(qiáng)器的設(shè)備。這種設(shè)備采用電極對電子進(jìn)行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

1??? 方案選擇

??? 小功率高壓電源最常用的例子是電視機(jī)的陽極高壓發(fā)生器，它將幾十伏的直流電源，通過功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變?yōu)楦邏狠敵?；另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是負(fù)離子發(fā)生器，常采用晶閘管調(diào)壓方式。以上兩種調(diào)壓方式都需要一臺單獨(dú)可調(diào)的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復(fù)雜程度。加之，由于電路結(jié)構(gòu)形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調(diào)節(jié)很有限，需要大范圍調(diào)節(jié)時(shí)，只能通過改變供電電壓來實(shí)現(xiàn)。而X射線增強(qiáng)器的主路電壓調(diào)節(jié)范圍近10kV，上述電路形式很難滿足要求。本文采用的半橋諧振式開關(guān)電源，成功地解決了以上問題。

2??? 技術(shù)指標(biāo)

??? 輸入電壓??? 220（1±10％）V，（50±0.5）Hz；或?qū)挿秶斎腚妷?80～250V。

??? 輸出電壓／電流

??????? 陽極（正）電壓/電流

??????? 標(biāo)稱值????????????? ＋25kV/1mA，

??????? 電壓范圍??????????? ＋23kV～＋32kV；

??????? 標(biāo)稱值????????????? ＋7.35kV/200μA，

??????? 電壓范圍??????????? ＋6.0kV～＋7.8kV；

??????? 標(biāo)稱值????????????? ＋0.985kV/200μA；

??????? 電壓范圍??????????? ＋0.8kV～＋1.1kV；

????? 陰極（負(fù)）電壓/電流

??????? 標(biāo)稱值????????????? －0.75kV/500μA；

??????? 電壓范圍??????????? －0.5kV～－1kV。

以上4路電壓連動輸出。

??????? 穩(wěn)定度??????????? 1％。

??????? 工作溫度范圍??? 0℃～＋40℃。

??????? 存貯溫度范圍??? －40℃～＋55℃。

??????? 外形尺寸??????? 160mm×135mm×43mm。

??? 圖像增強(qiáng)器的電極在加工時(shí)不可避免存在有毛刺，在高電壓下尖端放電擊穿打火。要把毛刺燒掉，需要有較大的電流。這樣，一方面要求電源輸出功率設(shè)計(jì)得更要大些，另一方面應(yīng)有完善的保護(hù)措施。

3??? 系統(tǒng)框圖及工作原理

??? 25kV小型化高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1??? 系統(tǒng)框圖

??? 輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上。控制電路由最常用SG3525芯片組成。控制電路通過高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產(chǎn)生激勵脈沖去驅(qū)動功率MOS場效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。

4??? 技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法

4.1??? 體積與絕緣

??? 這種電源是專為X射線增強(qiáng)器配套的，它被安裝在X射線增強(qiáng)器底座下一個(gè)狹小的空間，因而要求體積小。體積的減小與電路形式的選擇，電路的性能及絕緣，散熱等問題有直接關(guān)系。本電路將功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置，并選擇高強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)填充高壓部分，很好地解決了這個(gè)問題。

4.2??? 高頻高壓變壓器

??? 高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓（功率）變壓器中，可以不考慮波形的畸變和工作頻帶的問題，因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中，由于匝數(shù)增多,特別是次級匝數(shù)增多,當(dāng)變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時(shí)，必須考慮分布電容和漏感問題。這時(shí)，變壓器模型如圖2所示。L₁為漏感，C_p和C_s分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L₁和次級分布電容構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。當(dāng)變壓器次級開路或負(fù)載較輕時(shí)變壓器可看成電感,因而與次級分布電容Cs構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖3所示。發(fā)生諧振時(shí)，電容兩端的電壓會高出工作電壓，也就是說變壓器內(nèi)部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器的耐壓要求。因而在變壓器的繞制過程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設(shè)各層電容相等，繞組共有m層，則分布電容C_s=C（C為次級繞組固有電容，N₂為次級繞組匝數(shù)）。當(dāng)次級匝數(shù)一定時(shí)，次級等效到初級的分布電容與次級的層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越多分布電容越小。每一層上的匝數(shù)越少，分布電容越小。為了減小分布電容，采取分段分組繞制方式，并增加層數(shù)，減小每層匝數(shù)。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制示意如圖4所示。

圖2??? 考慮分布電容的變壓器模型

圖3??? 分布電容折合到初級的等效電路

圖4??? 高壓變壓器繞制示意圖

??? 實(shí)踐證明，分段分組繞制法還較好地解決了高壓變壓器的絕緣問題。

4.3??? 輸入電壓范圍的調(diào)制

??? 工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調(diào)節(jié)會出現(xiàn)困難。不但調(diào)整率很差，而且在輸入電壓超過一定值時(shí)，電源無輸出，或輸出電壓不穩(wěn)定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時(shí)的導(dǎo)通脈寬很窄（呈窄脈沖工作狀態(tài)）。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態(tài)，無法實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，導(dǎo)致整個(gè)電路關(guān)閉。為解決這個(gè)問題，經(jīng)過分析試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓調(diào)節(jié)電路，如圖5所示。

圖5??? 輸入電壓調(diào)節(jié)電路

??? 它實(shí)際上是一個(gè)輸入電壓預(yù)穩(wěn)壓電路，輸入電壓經(jīng)過它，成為基本穩(wěn)定的電壓，再加到主電路（開關(guān)電路）上。

??? 經(jīng)過調(diào)試，試驗(yàn)和長期裝機(jī)應(yīng)用，證明了該電路的穩(wěn)定與可靠。表1是設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)電路與沒有設(shè)置時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)。為簡化起見，這里只給出輸出主電路（25kV）參數(shù)。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調(diào)整率大大提高，輸入電壓調(diào)節(jié)范圍也增至250V。

表1??? 輸入電壓變化對輸出電壓的影響

??? 由于上電時(shí)，輸入端瞬間沖擊電流很大，對輸入電壓調(diào)節(jié)電路造成危害。為此，還專門設(shè)計(jì)了輸入緩沖電路。

??? 另外，高壓電源變壓器的變比n大，變壓器次級反饋到初級變化率較小，帶來的問題是穩(wěn)壓效果不理想。這樣,還設(shè)計(jì)了輸出電壓預(yù)穩(wěn)壓電路。因篇幅有限，實(shí)際電路從略。

5??? 開關(guān)電路的仿真實(shí)驗(yàn)

??? 開關(guān)級電路原理圖如圖6所示。這里開關(guān)級的負(fù)載是高頻高壓變壓器，它的輸入特性與負(fù)載的特性有關(guān)。在高壓小功率應(yīng)用中，由于輸出電流小，負(fù)載電阻大，次級整流二極管的導(dǎo)通角很小。為便于建立仿真模型?？珊雎载?fù)載電阻的影響。

圖6??? 開關(guān)電路電原理圖

??? 由于應(yīng)用了仿真技術(shù)，大大簡化了實(shí)驗(yàn)過程，降低了設(shè)計(jì)周期。用PSPICE仿真程序?qū)D6電路分為輕載10μA和重載1mA兩種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖7(a)和圖8(a)。在以后進(jìn)行的電路實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測的電流波形見圖7(b)和圖8(b)與仿真的波形基本相符。另外，從仿真波形還可看到輕載時(shí)的浪涌電流峰值較大，與重載時(shí)幾乎相等。變壓器空載損耗增加，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，這是需要進(jìn)一步解決的問題。

（a）??? 仿真波形

（b）??? 實(shí)驗(yàn)波形

圖7??? 輸出電流為10μA時(shí)的變壓器初級電流波形

（a）??? 仿真波形

（b）??? 實(shí)驗(yàn)波形

圖8??? 輸出電流為1mA時(shí)的變壓器初級電流波形

6??? 結(jié)語

??? 經(jīng)過小批量生產(chǎn)和幾年的裝機(jī)使用，證明該電源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定、可靠，可以替代同種類產(chǎn)品（例如日本某公司生產(chǎn)的湯姆遜電源）。

??? 在X射線增強(qiáng)器生產(chǎn)工序中，需配置一臺大功率的高壓（輸出電壓高達(dá)30kV）電源，對半成品進(jìn)行老化，打毛刺。由于本電源性能已滿足上述要求，可以用來替代這臺大功率電源，既節(jié)省了設(shè)備，又縮短了生產(chǎn)加工周期。