高压电源的特点与设计
演讲者 戴斌 演讲者：戴斌 世纪电源网版主 乞力马扎罗的雪 世纪电源网版主：乞力马扎罗的雪 联系方式 ben.day@https://www.doczj.com/doc/9c13468758.html, 联系方式： b d @163
高压电源的广泛应用
高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用是 非常广泛的，其应用领域主要在以下方面： 高压放电类 高压静电场类 电子与离子加速器类
高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
高压变压器的特点
高压变压器等效模型
高压变压器绕组实例
这种结构的绕 组通常称为蜂 窝式绕组或蜂 房式绕组，结 构很复杂 需 构很复杂，需 要用专用的绕 线机才能够完 成。
高压变压器绕组实例
因为蜂窝式绕 组结构复杂， 工艺难度很大， 所以高压绕组 常会采用多槽 骨架的绕组结 构。可有效降 低分布电容， 低分布电容 并保证绕组绝 缘。
常用高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
直流高压电源整流滤波电路特点
因为直流高压电源的输出电压很高，所 以次级通常采用倍压整流电路或多绕组 分别整流后串联的结构 通常采用电容 分别整流后串联的结构。通常采用电容 滤 波 ， 极 少 采 用 LC 滤 波 。
半波偶数倍压整流电路
元件的电压应力：最低端 的电容C电压应力为Up， 其他的电容电压应力为 2Up，二极管的电压应力 为2Up Up，变压器次级峰值 电压为Up。
半波奇数倍压整流电路
元件的电压应力：最低端 的电容C电压应力为Up， 其他的电容电压应力为 2Up，二极管的电压应力 为2Up Up，变压器次级峰值 电压为Up。
全波偶数倍压整流电路
全波奇数倍压整流电路
倍压整流电路的优缺点
优点： 变压器匝比小 次级输出电压低 变压器工艺较简单 变压器匝比小，次级输出电压低，变压器工艺较简单； 次级匝数较少，分布电容相对较小； 对输出功率有自动限制功率的能力。 对输出功率有自动限制功率的能力 缺点 缺点： 带负载能力差，不适合大功率应用； 输出高频纹波比较大； 输出高频纹波比较大 电压建立时间长，某些应用被限制。
变压器次级多绕组整流串联
适用于几KW至几十KW的大功率高压电源。例如医 院做胸透的X光机高压电源， 光机高压电源 一般需要 般需要50~80KW的 瞬间功率，最高电压约150KV，要求KV与mA上升 时间在几个毫秒内 越快越好 多会采用这种结构 时间在几个毫秒内，越快越好。多会采用这种结构 的电路。
常用高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
高压电源采样电路特点
R1 C1
R2
C2
R3
C3
R4
C4
分压用的高压电阻的分布电容较小， 所以可以用外部并联已知固定电容的 方式来消除分布电容的不确定性的影 响。并联电容容量通常在几十 pF 到 1nF 左右。实际电路中，高压电阻并 左右 实际电路中 高压电阻并 联的 C1 、 C2 、 C3 等电容容量比上面 公式中的数值略大 目的是给反馈环 公式中的数值略大。目的是给反馈环 路提供一个超前补偿，增加反馈环路 的带宽。
高压电源采样电路特点
陶瓷电容A 陶瓷电容B
常用高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
高压电源功率变换电路特点
48V/10A，600W通讯电源 可选功率变换拓扑方案： 1，双管正激 2，PWM半桥 3，LLC半桥/全桥 4，移相全桥 30KV/20mA，600W高压电源 可选功率变换拓扑方案： 1，电压型BUCK+不可控逆变电路 2，电流型BUCK+不可控逆变电路 3，带辅助谐振网络的移相全桥 带辅助谐振网络的移相全桥 4，LC/LCC/LLCC谐振变换器
注：关于高压电源功率变换拓扑的 简介，可以参考作者在 21dianyuan 网的另一篇 PPT 文档《高压电源电 路与应用》
高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主 要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每 一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的10W降压Buck 变换器)。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在 系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙 之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使 用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。 更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 过电流限制： 3.0A 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大) 输入功率： Pout/估计效率=10.0W／0.90=11.1W 功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W 续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W 输入平均电流 低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA 高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。
交流调压电源的设计 与仿真
任务书 一、设计内容： 1、查阅相关文献资料，掌握交流调压技术的发展与现状。 2、根据设计要求，确定功率电路的实现方案。 3、对交流调压电源的控制方案进行设计。 4、对交流调压电源的工作原理进行分析，并对功率电路和控制电路的电路参数进行设计。 5、在理论分析和设计的基础上，对交流调压电源进行仿真分析。 二、设计要求： 交流调压电源设计的具体要求是：输出功率P=500W，输入电压V in=220V AC,输出电压V o=110V AC,输出电流I o=4.5A,开关频率f s=100kHz。
AC-AC变换作为一种功率变换，其调压控制广泛用于交流电机调速、电加热的调温等，其稳压控制广泛用于交流稳压器、交流测试电源等。目前在电力电子及理论电工的研究领域中都是一个研究热点，它涵盖了电力电子、理论电工及控制理论中的众多内容。 目前，实现AC/AC电压变换的方案主要有工频变换器、矩阵变换器、高频交流环节AC/AC变换器和交-直-交变换器。工频变换器体积重量大，成本高，且没有稳压功能；矩阵变换器采用高频PWM技术，具有输入电流波形好、可实现高输入功率因数等优点，但由于其开关数量多，成本高，最大电压增益仅为0.866，控制策略复杂，同时需要复杂的钳位保护电路等问题，实际实现困难；高频交流环节的AC/AC变换器可实现电气隔离、高输入功率因数，但也存在电路和控制复杂等问题。 目前常用的AC/AC变换是交-直-交型变换，这种变换要经过一个直流的过程，也就是说先从交流电整流成直流电，通过对直流电的处理和控制，完成转换的过程，然后再逆变成交流电，输出给用电设备。采用这种方式主要是因为直流电易于控制。但是也有缺点，它仅能实现降压变换，变换级数过多，不但成本较高，而且电路复杂。其整流滤波环节对电网谐波污染严重，滤波电容会使电路的功率因数下降。 由于交-直-交型变换电路的上述缺点，设计直接的“交流一交流”电力电子功率变换电路成为一个新的研究领域。这种电路的主要优点有： ⑴省去中间的直流环节，可以使电路元件的数目上大大减少，电路的拓扑结构也简化了。 ⑵电路损耗大为减少，电路的转换效率相应提高。 ⑵由于转换环节的减少，转换的精度也有所提高。可以有效的简化电路和降低成本。 相关文献提出了一类基于DC/DC变换器拓扑的PWM AC/AC 变换器拓扑族，通过采用双向开关取代直流变换器中的单向开关，这类变换器能实现直接AC/AC 电压变换功能，并且开关数量少，电路结构简单，实现成本低，但由于单有源器件双向开关的使用，使变换器存在严重的换流问题，大大降低了变换器的可靠性和效率。
高压开关电源的设计与研究 赵延波 （龙矿集团热电有限公司，山东龙口265700） 摘要该文分析了高压开关电源的特点和电路原理，设计了一种新型高压开关电源，尤其是对重要的设计要点进行了深入描述，并给出了设计方案。实验结果表明该电源结构简单，效率和可靠性高。 关键词高压开关电源 中图分类号TM91文献标识码A 高压充电电源广泛应用于等离子体物理、高功率激光、大功率微波、粒子速武器等等精密电子系统领域。要求电源系统具有重量轻、响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点。传统充电电源采用的工频高压电源和LC谐振充电方式，虽然电路简单，但其体积和重量大，低频工作状态以及纹波、稳定性均不能令人满意。为了满足精密电子系统的要求，设计制作了一种新型高压开关电源。 1高压开关电源的特点 与通常的低压开关电源比较，高压开关电源有如下特点： （1）无输出电感。一般输出电感的选择应保证在规定的最小负载下其电流也连续，在几千伏高压以上输出情况下，输出电感的体积和价格都是很难承受的，并且在工作中电感两端会承受与输出电压相等的电压，会导致点晕和飞弧，所以在较高的电压运用中通常不考虑输出电感。 （2）变压器副边存在较大的分布电容。变压器副边匝数多，绕组之间存在较大的分布电容，影响开关电源的工作状态。要么采用分布电容的电路形式，要么尽量减小分布电容。 （3）负载变化范围宽。在雷达等设备的应用中，由于工作状态多，要求高压电源有很宽的负载变化范围，即要选择适用宽范围运行的电路形式。 从上述特点来看，高压开关电源的软开关电路应采用以无输出电感的电路拓扑，对于极高电压大功率应用建议采用全桥的方式。 2电路原理 系统原理框架图如图1所示。 如图1所示。高压电源的输入信号来自220V的 *收稿日期：2012－04－16 作者简介：赵延波（1976－），男，大专，毕业于华北电力大学城市供用电专业，现任职于龙矿集团热电有限公司，助理工程师 。 图1系统原理图 交流市电，经整流滤波后与P W M脉冲调制器的输出信号一起驱动高频变压器，通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后，输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器，通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。 3电路设计 电路拓扑结构和主要工作波形如图2、图3 。 图2电路拓扑结构图 与普通移相全桥电路相比，增加了一个谐振电感和4个二极管。变压器原副边电流是不连续的，在电流截止期间ZVS开通是通过二极管D5、D6、D7、D8分别给L1、C1、C3和L2、C2、C4提供了充放回路来实现的；在主功率传输期间工作状态和普通移相全桥电路一样。修改电路结果简单，在目前运用较广泛的移相全桥变化电路稍加改进就可以实现；所有开关管均为零电压开通和零电压关断；二极管D5、D6、D7、D8还对变压器原边电压起钳位作用，减小电感L1、L2和变压器副边绕组分布电容产生的震荡；与负载无关，电感L1、L2上的电流一直保持半个周期，（下转第170页） 86 12012年第3期
高压强脉冲电源的设计 摘要：本文提出了一种强脉冲发生器电源的设计方案，应用此方案设 计了高压电源、IGB T控制充电、可控硅控制放电，可以自动运行的 脉冲磁场发生设备。最大直流电压达到3KV且连续可调，放电脉冲电 流高达10000A。该设备由一片AT89C52单片机控制，可实现与计算 机的连接。 关键词：高压电源； IGBT ；可控硅 The Design of High Voltage Pulsed Power Supply Abstract: This paper presents a strong pulse generator power supply design, applications for this program designed high-voltage power supply, IGBT control the charging and SCR controlled discharge, can be run automatically pulse magnetic field equipment. Maximum DC voltage 3KV and continuously adjustable discharge pulse currents up to 10000A. The device is controlled by an AT89C52 microcontroller can be realized with the computer. Key words: high voltage power supply；IGBT；SCR， 引言：强脉冲磁场对工业装置及医疗的作用［1］，强脉冲磁场对金属 形成时的影响［2］以及脉冲磁场刺激对生物体的效应等已经越来越 引起人们的关注。目前国内的脉冲磁场设备，一般电压较低，频率也 较低。特别是高压充电部分采用调压器调压［3］，这样体积太大也显 笨重。要产生更高的磁场强度，可以改变脉冲磁场频率的自动运行的
1绪论 1.1论文的研究背景 电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。在信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。显然，电源技术的发展将 带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。当前在电源产业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC y DC开关电源、DC y DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源、化学电源、UPS可靠高效低污染的光伏逆变电 源、风光互补型电源等。而与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术。 1.2脉冲电源的特点及发展动态 脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电压或电流波 形为脉冲状。按脉冲电源的输出特性分类，有高频、低频、单向、双向、高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电压、输出电流和开关频率，根据具体的应用场合而定。按脉冲波形分，有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等多种形式，如图1. 1所示。 图1 . 1各种脉冲波形 由于矩形波具有较好的可控性和易操作性，所以这种波形的应用居多。究其本质，
高效率开关电源设计实 例 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器()。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。 设计指标 输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+ 额定输出电流： 过电流限制： 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％ 最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值 输出功率： +*2A=(最大) 输入功率： Pout/估计效率=／= 功率开关损耗* 0．5= 续流二极管损耗：*= 输入平均电流 低输入电压时／10V= 高输入电压时：／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。
基于UC3842的反激式开关电源的设计与仿真 华南理工大学电力学院冯自成 摘要：反激式开关电源由于纹波小、体积小、效率高等诸多优点占据着小功率开关电源的大部分市场。本文基于UC3842芯片设计了一款反激式开关电源，详细分析了主电路的工作原理、控制电路的设计以及保护电路的设计等，最后在开关电源仿真软件saber中搭建了仿真模型，验证了设计的正确性。 关键词：反激；开关电源；UC3842；反馈电路 ABSTRACT:Flyback switching power source occupies most of the market of low switching power source due to the small ripple,small size,high efficiency advantages.This paper designs a flyback circuit based on the UC3842chip,detailedly describes the working principle of the main circuit,the design of the control circuit and protection circuit.Finally a simulation model was built in saber software to verify the correctness of the design. KEYWORDS：flyback；switching source；UC3842；feedback 0引言 随着开关电源技术的飞速发展，近年来开关稳压电源正朝着小型化、高频化、集成化的方向发展,高效率的开关电源得到越来越多的重视[1]。单端反激式变换器因其电路简单可以高效提供直流输出等许多优点,特别适合用于小功率的开关电源的设计。开关电源的控制可以分为电压型控制和电流型控制，相比单闭环控制的电压型控制，双闭环电流控制具有不可比拟的优点，因此被广泛采用[2]。 本文采用电流型脉宽控制芯片UC3842设计了一款开关电源。UC3842是Unitorde公司（后被TI收购）生产的一种开关电源芯片，在工业生产中被广泛采用。它采用双闭环控制，不但可以使输出端电压保持稳定，而且可以防止原边电流过高，除此之外还集成了内部欠压锁定电路、过压保护电路，输出频率可以根据应用的需要进行调节，可以应用于500KHz频率以下的小功率开关电源中，设计人员只需要提供很少的外接电路就可以完成电路设计[3]。 1反激电路的工作原理 开关变换器是指利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一种形态的主电路[4].反激式开关电源是开关变换器的一种，其主电路如图1所示。由于变压器同名端在一侧，故输出电压上负下正。当驱动信号为高电平时，开关管导通，电压源给原边电感充电，电感电流线性上升，直到开关管关断时刻，原边电流达到最大值。开关管导通期间，由于二极管承受反向电压，副边没有电流通过。当驱动信号为低电平时，开关管关断，副边二极管承受正向电压开始导通，
收稿日期:2003-11 作者简介:戚栋(1963— ),男,辽宁大连人,汉族,副教授,主要从事特种电源及智能检测技术研究工作,发表论文50余篇,获国家专利5项 。 基于OrCAD Pspice 的高压电源设计与分析 戚 栋1,孙炳全2 (1.大连理工大学电气工程系,辽宁大连116024;2.大连民族学院) 摘要:介绍用OrC AD Pspice 对半波、全波和并列4倍压整流电路进行分析和比较的方法;由仿真结果知,并列倍压整流电路适宜用来制作性能较好的高压电源。 关键词:高压电源;仿真;OrC AD Pspice ;倍压整流电路 中图分类号:TP391 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2004)02-0054-02 Design and Analysis of H igh V oltage Supply B ased on OrCAD Pspice QI D ong ,S UN Bing 2quan (Dept.of E lectrical and E lectronics Engineering ,Dalian Univ.of T echnol.,Dalian 116024,China ) Abstract :In this paper ,three kinds of rectifing circuit (half wave ,full wave and doubling rectifing circuit )were analysed and com pared based on Orcad Pspice.The conclusion is that parallel v oltage doubling rectifing circuit is preferred in the im plementation of high v oltage supply. K ey w ords :High v oltage supply ;simulation ;Orcad Pspice ;v oltage doubling rectifing circuit 设计高压电源的传统过程是:方案选择→设计电 路→实验→修改→再实验→制作成品,其中往往需要进行反复实验和修改。但是,由于高压电源的实验成图1 半波、全波、并列4倍压整流电路的仿真电路 本比较高,并且具有一定的危险性,因此给设计者带来很多困难。 仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。目前,用于电路仿真的软件种类很多,Or 2C AD Pspice 是其中功能较强的一种。它像一块软件的电路面包板,我们可以在上面放置器件、电源、触发信号等,再根据需要来测试设计的电路是否合乎要求,然后予以必要的调整,直至仿真结果通过检测。1 倍压整流电路 为了获得高电压,通常采用以下方法:增加变压器 的变比(即增加次级绕组匝数),在变压器次级直接(或采用常规电源中的半波、全波整流方法)获得高压输出。这种方法在要求电源输出电压不太高的情况下是可行的,但是当要求电源输出电压较高时,若要在变压器次级直接获得高压输出,必然使变压器的次级绕组匝数过多。由于变压器绕组的层间寄生电容和线间寄生电容的影响,在变压器工作中会出现很大的充放电电流和噪声,使变压器的初级开关产生很大损耗,甚至无法正常工作。因此,在这种情况下为了既获得高压输出,又不致使变压器的次级端电压太高,需采用倍压整流电路将变压器次级较低电压“倍压”成高压直流电压。 倍压电路的种类很多,下面以4倍压电路(图1) 为例,分析和比较一下半波、全波和并列倍压电路的特点。 2 仿真分析 图1仿真电路中,V S 是信号源,R S 是信号源内阻, R L 是负载。令V S 是幅值为5000V 、频率为50H z 的正弦波信号源,R S =100 Ω,R L =30M Ω,电容C 1～C 4=0.22 μF 。由倍压整流电路原理知,在无载的情况下(即R L =∞),图1所示的三种倍压电路的输出电压均为20kV 左右。但在有载情况下,它们的输出电压明显不同(幅值、脉动、电压降),三种倍压电路对变压器的绝 缘水平、整流元件和级电容的耐压等级要求不同。图 — 45—仪表技术2004年第2期
基于SG3525的3KW逆变电源设计 作者姓名：潘传义电子信息工程一班 指导教师：王生德 本电路利用48V直流蓄电池，可为后端提供3KW，2000V的高压直流电源。本电路设计的初衷是为电子捕鱼器后端产生脉冲波提供2000V直流电压。 本文对开关电源常用的电力电子器件做了简单介绍，重点介绍了 SG3525芯片的内部结构及其特性和工作原理，介绍了开关管MOSFET 的工作原理和开关动态特性等。设计了一款基于SG3525的推挽式DC-DC开关电源，提供高达2000V的直流电压。给出了系统的电路设计方法以及主要电路模块的原理分析和参数计算，特别是对开关电源高频变压器的设计给出了详尽的原理分析和各个参数的详细计算。 本电路采用推挽式开关变换，利用SG3525作为主要的控制芯片，产生两路互补的PWM方波脉冲控制开关管的通断。为提高PWM脉冲的驱动能力，加入桥式功率放大电路。滤波整流电路则采用桥式整流，RC滤波电路。另外，开关管工作频率高达25kHz，为此设计了RCD缓冲电路。考虑到电路环境的复杂性以及元器件的误差，电路在设计时对部分参数留有较大余量。 本电路的不同之处在于：采用两组相同的推挽变换电路且输出串联的设计，对变压器和整流滤波电路进行了有效的分压。产生高电压的同时，并没有大幅提高元器件的耐压要求，从而降低了对各种电力电子器件参数的要求。因而也使得电路的稳定性和可靠性更高。
本电路实现了从直流48V电压逆变到2000V直流电压的DC-DC变换供后续电路使用。本电路技术指标为：1）输入电压：蓄电池提供直流48V；2）输出电压：额定直流2000V；3）输出功率：最大3000W；4）输出波纹：无特殊要求，因此无需稳压电路。该系统工作过程：第一阶段：48V直流输入电压Ui经推挽电路变换成高频交流方波电压； 第二阶段：产生的交流方波电压经整流滤波电路分别产生1000V 直流电压，串联后实现2000V直流输出。 实验结果表明，该电源具有效率高，输出有效电压满足设计要求且运行可靠等优点。
第23卷第3期强激光与粒子束Vol.23,No.3 2011年3月H IGH POWE R LASE R AND PARTICLE BEAMS M ar.,2011 文章编号: 1001-4322(2011)03-0761-04 200kV高压开关电源研制＊ 周长庚, 李 彦, 娄本超, 伍春雷, 胡永宏 (中国工程物理研究院核物理与化学研究所,四川绵阳621900) 摘 要: 采用软开关电源技术和叠层式倍压器方法,研制成一台200kV高压发生器,介绍了其工作原理 和结构。高压开关电源主要由功率变换器、中频升压变压器和高压倍压器组成。其主要技术指标为:高压200 kV,输出电流10mA,工作频率20kH z,电压稳定度1%,纹波系数2%,连续工作时间为8h。测试结果表明, 该高压开关电源的性能指标达了设计要求。 关键词: 功率变换; 倍压; 高压; 中频; 连续工作时间 中图分类号: T L503.5 文献标志码: A doi:10.3788/HP LP B20112303.0761 200kV以上的高压电源是氘离子加速器的关键设备之一。与线形高压电源相比,高压开关电源(也称高压发生器)[1-3],采用中频逆变技术,具有体积小、重量轻、稳定度高等特点。但目前国内许多科研单位研制生产的高压开关电源主要应用于医疗设备、高压材料和设备的绝缘性能检测等领域,工作连续时间一般不超过1 h,由于工作频率只有7kH z左右,整体体积偏大,满负载运行时噪音较大[4-6],不适合在专用氘离子加速器方面的应用和发展。为此,我们采用软开关电源技术和叠层式倍压器方法,研制成一台200kV高压发生器,采用空气绝缘,其高压部分不必放置在绝缘油内,维修方便。 1 高压开关电源的原理和结构 如图1所示,高压开关电源主要由功率变换器、中频升压变压器和高压倍压器组成。高压开关电源工作过程为:AC/DC电路把交流220V电压转换成直流电压,功率变换器中的桥式开关电路将直流电压变换成幅值约为220V的中频脉冲电压信号,中频变压器把脉冲电压转换成正弦波,并将正弦波峰值升至9kV,经过中频高压整流、中频滤波和12级倍压,形成大于200kV直流高压,当加满负载时,保证输出电压为200kV。 Fig.1 Principle block diagram of200kV high voltage switch pow er supply 图1 200kV高压开关电源原理方框图 2 功率变换器 功率变换器是高压开关电源关键部件。如图2所示,功率变换器是由整流器、滤波器、过流保护电路、全桥开关、取样电路、电源控制器和驱动器等组成。其工作原理是:交流220V电压经整流、滤波后形成+220V和-220V的直流电压,通过过流保护电路加到全桥开关。电源控制器产生的脉冲调制信号通过驱动器控制全桥开关的导通和截止,从而输出幅度约为220V的中频脉冲功率信号。图3为全桥开关电路原理图。电源控制器采用UC3875开关电源移相PWM控制集成电路。对IGBT开关管S1～S4组成的全桥开关电路进行移相控制,S1,S3为超前臂,S2,S4为滞后臂。借助开关管的输出电容C1～C4充放电,在输出电容放电结束(电压为0V)的状态下完成开关管零电压导通,功率损耗最小,这就是软开关过程。软开关过程使整个高压开关电 ＊收稿日期:2010-06-21; 修订日期:2010-11-11 基金项目:中国工程物理研究院预研基金项目 作者简介:周长庚(1956—),男,博士,研究员,从事核技术及应用研究;zh ou changg@https://www.doczj.com/doc/9c13468758.html,。
淮海工学院课程设计报告书 课程名称：通信电子线路课程设计题目：直流稳压电源的设计系（院）：东港学院 学期：2010-2011-1 专业班级：D通信081 姓名：宗淙 学号：510822114
直流稳压电源 1引言 近些年来，随着微机，小型计算机的普及和航空数据的通信，交通邮电事业的讯速发展，和对各种自动化仪器、仪表和设备配套的供求，当代对电源的需求量不断增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。人们对于这些要求，传统的线性稳压电源[1]已不能满足我们的日常要求，和线性稳压电源相比，稳压电源具有以下的一些优越性: 1.工作效率高 2.稳压效果好 3.体积小质量小 4.安全性能好 1.1 设计目的 1.通过本次课程设计课题的设计,较好掌握电子线路系统的设计方案和设计步骤。 2.学会直流稳压电源的设计方法和PCB板的制作 3.培养操作Protel的技能以及分析和解决实际问题的能力。 1. 2 设计意义 1.通过本次的课程设计，进一步加强理解了所学的理论专业知识和实践技能 2.在本次的课程设计过程中着重培养独立工作、独立思考并运用已所学的专业知识解决实际问题的能力，同时还培养了独立获取新知识的能力； 3.通过本次课程设计加强对调研调查、资料获取、实验方法、数据资料的综合处理、计算机应用等最基本的工作实践和科研能力的培养。 1.3 设计的内容要求 1.设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求 （1）输出电压可调：U =+3V～+15V o =800mA （2）最大输出电流：I omax ≤15mV （3）输出电压变化量：ΔU o ≤0.003 （4）稳压系数[2]：S V 2.设计电路原理图结构，运用Protel画出相应的原理电路图，通过计算确定元件参数，选择电路元件。 3.自拟实验方法、步骤及数据表格，制出电路原理图的PCB板
§1 恒流高压直流电源 §1.1 恒流源供电的理论基础 对电除尘器采用恒流源供电，是八十年代中期开始的，虽然它采用了大量的无源元件：电抗器、电容组成L－C变换网络，但却改变了一种供电方式，采用电流源供电。 作为一个供电回路，一般由电源和负载组成，其表征参量为三个，电压、电流和阻抗，以电压作为电源的形式供电（电压源），则电流随负载变化；以电流作为电源的形式供电（电流源），则电压随负载变化。无论是较早的磁饱和放大器电源，还是现在的可控硅电源，均是电压源的特性，一种方式是改变回路的阻抗，进行限流，一种是改变输出电压的平均值（波形），虽然均可以做到“恒压” ，“恒流” 运行，但均是通过控制调整电压来达到的，其主变量，即能直接控制、调整的是电压μ，如图一所示：i=f(u)。而恒流源是一种电流源的概念，能直接控制、调整的是电流i，如图二所示：u＝f(i)，通过控制和调整电流i做到“恒压” ，“恒流” 、“最佳火花率”等工作状态下运行。 图1 电压源供电i=f(u) 图2 电流源供电u＝f(i) 除尘器电场某一局部由电晕放电向火花击穿过渡是需要时间和功率，不论哪一种电源供电，电场处在电晕放电状态，电源所提供的电流则电晕电流，当电场处在火花放电状态，则电源所提供的电流为火花电流，因此在用恒流源供电时，由于电晕放电向火花放电过渡时，放电通道的等效电阻R随电离强度的增加而减小，这样注入到放电通道的功率P＝I2（t）R减小，P也减小，抑制了放电的进一步发展，这相当于一个负反馈的物理过程，因此火花击穿的临界电压明显提高，
也就是说使除尘器的伏安特性的正阻区得到了大幅度的延伸，延伸的幅值取决于除尘器的状态和工况条件，一般含尘浓度大、电阻率高的烟尘，除尘器机械缺陷较大的，其伏安特性延伸幅值也大，而且延伸是在r=du/di→0附近，也就是说电压增加几千伏，电流成倍地增加。 从图一、图二的伏安特性可以看出，由于除尘器是具有气体放电特性的一个非线性特性，特别是曲线的后半段具有负阻特性，因此对于同一个电压值，电流可能是多值的，而对同一个电流值来说，电压是单值的，即在某一时刻，除尘器的工作电压是其电流的单值函数，因此，简单地从非线性电路平衡状态的稳定性来考虑，以恒流源来供电时，电压不会发生跳跃，可以稳定工作在r=du/di→0附近，即工作在高的电压和电流下，因为一个电流值，只有一个电压所对应，而电流值是由设备所决定的，因此这种稳定的工作状态不需要反馈控制回路来支撑，而且是本身回路所具有的。所以，用恒流源供电，可以使除尘器工作在较高的功率水平下
工作原理 高压直流电源产生的负高压，接入电晕极（阴极），它与沉淀极（阳极）之间产生电场，电场强度超过一定极限后在阴阳两极间即产生电晕放电。此时流经电场区的气体发生电离， 产生大量的离子和电子。周围可以听见强烈的电磁风声。光线暗时可见紫兰色电晕。通过电 场的煤气中的焦油、粉尘、水雾等粒子与离子或电子结合而荷电，在电场力的作用下向两极 运动。由于电子质量小，运动速度快，空间分布广，所以主要是荷负电的粒子向沉淀极运动。到达沉淀极板中和后，依靠残存的静电引力和分子间凝聚力首先吸附于沉淀极，而后靠自身 重力沿极板下落，通过焦油出口排出。 高压电源的应用 高压直流电源是将Ac220V电网电能转变成特种形式的高压电源，高压直流电源按输出电压 极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源已经广泛应用于各行各业，仪器仪表各种电 子设备，农业领域也有应用，例如农业环境静电除尘，静电喷雾杀虫，农业物料静电喷涂包裹，农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。随着农业科学技术的不断发展进步，农业科学研究和农业工程应用实践对高压静电电源的需 求逐年增多，对其精度、性能、规格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多 新的要求，现有的高压直流电源已经不能满足农业领域中的许多需要，研究和开发适合农业 领域要求的多种新型直流高压电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比 较显著，市场前景比较光明。信息来源:武汉凯琛威电子科技有限公司 回顾高压直流电源发展历史，高压直流电源最初是将工频电压直接经高压变压器升压后整流 滤波，或升压后再倍压整流后得到高压的，其基本原理如图1所示。随着科学技术的发展， 后来高压直流电源才发展到了线性高压直流电源。早期的高压直流电源通常采用220 V工频 交流经变压器升压，整流滤波获得，电源的体积和重量很大，并且纹波较大，稳定性不高， 效率低。目前的高压电源主要采用开关电源技术，PWM波的产生芯片主要用SG3525（集成PWM控制芯片）或者UC3875（移相谐振全桥软开关控制器）做成高频高压电源，大大减小 了电源体积和重量，提高了电源的稳定性和效率。但SG3525功能单一、产生的PWM波形 也没有DSP产生的PWM波形稳定性好，并不能实现与上位机通讯及智能调压等功能。此处 设计以DSP为控制核心，DSP产生的死区可调的PWM波完全可代替SG3525或UC3875所 产生的PWM波，还可实现电源输出调压和过压过流保护等功能。 高压电源的重要特点就是快速可靠保护。例如过流保护、过压保护、击穿短路保护等，这里 在新型直流高压电源研制上尝试应用新的技术手段，提出新的设计思路来解决这些问题。 2 设计原理 高压电源的总体框图如图1所示，电路主要分为主电路和控制保护电路两部分。该系统的工 作原理：先将市电220 V／50 Hz通过全桥整流滤波后，变成300 V左右直流电压，将其通过PWM的Buck变换得到0～300 V可调直流电压。然后直流电经过DC／AC逆变成高频电压，经过谐振电路和高频变压器后电压变为10 kV左右，再经倍压整流得到所需的电压。DSP系 统为DC／DC提供电压输出幅值的给定信号，同时接收DC／DC环节来的反馈信号，并实时地做出反应，控制DC／DC环节输出电压的大小。对于DC／AC环节，DSP系统通过输出4 路脉宽可调的PWM信号控制逆变环节4个IGBT的通断，并且接收反馈动作信号，控制4 路PWM的脉宽来达到控制逆变环节输出电压的目的。DSP系统还可进行输出电压测量，并 且提供一个良好的人机接口，实时地显示各个参数值，并提供操作控制
基于51单片机的数控直流电源设计 学号：XXXXXXXXXX 姓名：XXX 日期：2013年12月
目录 第1章绪论 (1) 1.1 课题的背景及意义 (1) 1.2 课程设计的主要内容 (1) 第2章系统总体设计 (3) 2.1 方案设计与论证 (3) 2.2 系统总框图 (4) 第3章硬件设计 (6) 3.1 硬件选型 (6) 3.1.1 系统供电部分 (6) 3.1.2 控制器部分 (6) 3.1.3 显示部分 (6) 3.1.4 键盘部分 (6) 3.1.5 数模/模数转换部分 (7) 3.1.6 掉电记忆部分 (7) 3.2 硬件电路设计 (7) 3.2.1 电源模块 (7) 3.2.2 DA转换模块 (8) 3.2.3 电压调整模块 (9) 3.2.4 键盘模块 (10) 3.2.5 EEPROM拓展模块 (11) 3.2.6 显示模块 (12) 第4章软件设计 (13) 4.1主程序流程 (13) 4.2 键盘程序流程图 (14) 4.3 EEPROM读写程序流程 (15) 4.4 DAC0832程序流程 (16) 4.5 TLC1543程序流程 (17) 第5章系统测试及误差分析 (18) 5.1 系统测试 (18) 5.1.1 软件测试 (18) 5.1.2 硬件测试 (18)
5.1.3 系统整体测试 (18) 5.2 误差分析 (19) 结论（心得体会） (21) 参考文献 (22) 附录一 (23) 附录二 (24)
第1章绪论 1.1 课题的背景及意义 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和研究不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通的直流稳压电源品种有很多，但均存在以下两个问题：输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节。这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并有电压表指示电压值的大小。因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。 随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源，而在一些高能物理领域，更是急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。 1.2 课程设计的主要内容
开关电源PCB设计实例 标签：开关电源PCB 印制电路板的制作 所有开关电源设计的最后一步就是印制电路板(PCB)的线路设计。如果这部分设计不当，PCB也会使电源工作不稳定，发射出过量的电磁干扰(EMI)。设计者的作用就是在理解电路工作过程的基础上，保证PCB设计合理。 开关电源中，有些信号包含丰富的高频分量，因而任何一条PCB引线都可能成为天线。引线的长和宽影响它的电阻和电感量，进而关系到它们的频率响应。即使是传送直流信号的引线，也会从邻近的引线上引入RF(射频)信号，使电路发生故障，或者把这干扰信号再次辐射出去。所有传送交流信号的引线要尽可能短且宽。这意味着任何与多条功率线相连的功率器件要尽可能紧挨在一起，以减短连线长度。引线的长度直接与它的电感量和电阻量成比例，它的宽度则与电感量和电阻量成反比。引线长度就决定了其响应信号的波长，引线越长，它能接收和传送的干扰信号频率就越低，它所接收到的RF(射频)能量也越大。 主要电流环路 每一个开关电源内部都有四个电流环路，每个环路要与其他环路分开。由于它们对PCB布局的重要性，下面把它们列出来： 1．功率开关管交流电流环路。 2．输出整流器交流电流环路。 3．输入电源电流环路。 4．输出负载电流环路。
图59a、b、c画出了三种主要开关电源拓扑的环路。 通常输入电源和负载电流环路并没有什么问题。这两个环路上主要是在直流电流上叠加了一些小的交流电流分量。它们一般有专门的滤波器来阻止交流噪声进入周围的电路。输入和输出电流环路连接的位置只能是相应的输入输出电容的接线端。输入环路通过近似直流的电流对输入电容充电，但它无法提供开关电源所需的脉冲电流。输入电容主要是起到高频能量存储器的作用。类似地，输出滤波电容存储来自输出整流器的高频能量，使输出负载环能以直流方式汲取能量。因此，输入和输出滤波电容接线端的放置很重要。如果输入或输出环与功率开关或整流环的连接没有直接接到电容的两端，交流能量就会从输入或输出滤波电容上流进流出，并通过输入和输出电流环“逃逸”到外面环境中。 功率开关和整流器的交流电流环路包含非常高的PWM开关电源典型的梯形电流波形。这些波形含有延展到远高于基本开关频率的谐波。这些交流电流的峰值有可能是连续输入或输出直流电流的2～5倍。典型的转换时间大约是50ns，因而这两个环路最有可能产生电磁干扰(EMI)。 在电源PCB制作中，这些交流电流环路的布线要在其他引线之前布好。每个环路由三个主要器件组成：滤波电容、功率开关管或整流器、电感或变压器。它们的放置要尽可能靠近。这些器件的方向也要确定好，以使它们之间的电流通路尽可能短。图60就
高效率开关电源设计实例 1 0 W同步整流Buck变换器 以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路 的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。 采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器 应用 此设计实例是PW履计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器（板载的10W降压 Buck变换器）。 在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步 控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3/4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的（见图20的电路图）。 设计指标 输入电压范围：DC+10- +14V 输出电压：DC+5.0V
额定输出电流：2.0A 过电流限制：3.0A 输出纹波电压：+30mV (峰峰值) 输出调整：土1% 最大工作温度：+40 C “黑箱”预估值 输出功率：+5.0V *2A=10.0W最大) 输入功率：Pout/估计效率=10.0W^0.90=11.1W 功率开关损耗(11.1W-10W) * 0 . 5=0.5W 续流二极管损耗：(1I.IW-10W) *0.5=0.5W 输入平均电流 低输入电压时11.1W / 10V=1.1IA 高输入电压时：11.1W/ 14V=0. 8A 估计峰值电流：1 . 4lout(rated)=1 . 4X 2. 0A=2. 8A 设计工作频率为300kHz。
实验报告 姓名：实验名称：直流稳压电源电路仿真设计班级：实验时间： 一、实验目的： 1、认识理解直流稳压电源的构成 2、理解分析直流稳压电源各组成模块的功能 3、掌握单项桥式整流、电容滤波电路的特性。 4、掌握电源电路的仿真设计与分析方法。 二、实验内容： 1、直流稳压电源的基本组成 2、使用仿真软件绘制直流稳压电源电路，进行电路仿真测试 (2)滤波电路参数测量
(3)稳压电路参数的测量 三、实验步骤： 1、 在仿真软件上画出以上电路图； 2、 开始仿真并将测试数据及波形图填在以上表格中 四、实验结果及分析： 1．整流滤波电路的输出电压与滤波电容和负载电阻的乘积τ（即放电时间常数τ=RC ）有关，τ越大整流滤波的输出电压越大，同时，τ越大纹波电压越小。 2．根据稳压系数的定义I I O O U U U U S ??=，求得：
1)285.15(] 956.7)285.15[()309.15(] 037.8)309.15[(1=------=S ；97.0678.0)028.0678.0(379.0)027.0379.0(2=--=S 994.0) 739.19(]8.3)739.19[() 22.20(] 75.3)22.20[(2=------=S 根据计算稳压电路的稳压系数S 与电网输入电压有关，电网电压越高稳压系数越大。 3．根据以上实验数据，如果输出纹波过大，可能的原因是二极管开路或滤波电容开路。如果滤波电路工作正常，而没有输出电压，可能的原因是可调电阻R90开路或三极管有一个断路。 4．在误差允许的范围内测试结果是正确的,即结论是正确的。