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)域的應用。到目前為止，電源的頻率已經(jīng)達到數(shù)百 Hz，應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，甚至會擊穿功率器件;

　?、鄹哳l化導致變壓器的趨膚效應增強，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)生感應左正右負的感應電勢，這一感應電勢將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導通，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時間短，具有軟恢復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為功率場效應管MOSFET。ton期間，控制信號使Q導通，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先導通續(xù)流，t5時刻V1 才開通。各段時間內(nèi)導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)、功率場效應管功率場效應管(Power MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、

　　靜電感應晶體管(SIT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、靜電感應晶閘管(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通電壓特性的兩者優(yōu)點并存的電力半導體器件，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，正半周重復圖11(a)的過程，負半周重復圖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。

　　②BUCK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。