高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計(jì)

劉宏軍，鄧玉福，牛淑芳，詹 征，周 波，張志美

（沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034）

高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計(jì)

劉宏軍，鄧玉福，牛淑芳，詹 征，周 波，張志美

（沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034）

倍壓器是高壓電源的一個(gè)重要組成部件。通過MATLAB仿真及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究了半臂逆對(duì)稱式倍壓器倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)高壓電源性能的影響規(guī)律。接著在仿真研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并對(duì)30k V、5m A的高壓電源的性能進(jìn)行了優(yōu)化。在以可控硅（SCR）為功率轉(zhuǎn)換電路的30k V、5m A的電源設(shè)計(jì)中，研究結(jié)果表明在一定的工作頻率條件下，倍壓器參數(shù)的優(yōu)化對(duì)提高電源的效率、降低輸出電壓的紋波值、增強(qiáng)電源的穩(wěn)定性具有顯著的影響，為高頻高壓電源的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)意義。

倍壓器；高壓電源；MATLAB Simulink

0 引 言

高壓直流電源作為一種配套設(shè)備已廣泛應(yīng)用于射線檢測(cè)分析設(shè)備、電子束焊機(jī)、靜電除塵、醫(yī)療診斷等各個(gè)行業(yè)［1］。為了獲得所需要的直流高壓，一般需要將市網(wǎng)電進(jìn)行功率變換，通過升壓變壓器升壓后整流濾波輸出。但是這種方法只是適用于電壓要求不是很高的場(chǎng)合，因?yàn)椴捎眠@種方式獲得高壓，不僅需要更大體積的變壓器，而且還會(huì)增大變壓器繞組的寄生電容，導(dǎo)致變壓器在工作時(shí)產(chǎn)生很大的充放電電流和噪聲，電源變化效率低，對(duì)整流器件的耐壓參數(shù)要求也高，嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)法工作［2］。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，尤其是高頻高壓開關(guān)電源技術(shù)的應(yīng)用，倍壓器被更多應(yīng)用于高電壓電源電路設(shè)計(jì)中［3］。

圖1給出的是高頻高壓直流開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖。其中CSR逆變電路是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，高頻變壓器是將逆變電路輸出的電壓進(jìn)行一次升壓，再經(jīng)過倍壓整流最終輸出直流高壓。

圖1 高壓電源結(jié)構(gòu)框圖

倍壓器作為提高輸出電壓的關(guān)鍵，合理的對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)就尤為重要。本文將以30k V、5m A高頻高壓直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)為例，研究倍加器倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)電源性能的影響。

1 倍壓整流電路

半臂逆對(duì)稱式倍壓器作為一種最基本的倍壓電路，在微型高壓電源［4］的設(shè)計(jì)中常常被使用。圖2給出的是一級(jí)半臂逆對(duì)稱倍壓電路的原理圖。

根據(jù)半臂逆對(duì)稱倍壓電路的工作原理可知：在不考慮倍壓器各器件內(nèi)部壓降的條件下，半臂逆對(duì)稱式倍壓器輸出電壓Uout的值為［5］：

輸出電壓的紋波系數(shù)［6］為S：

圖2 半臂逆對(duì)稱倍壓器

在式（1）、式（2）中，C表示倍壓器電容容值，f為工作頻率，R為負(fù)載電阻，N為變壓器次級(jí)線圈匝數(shù)與初級(jí)線圈匝數(shù)比（N1：N2），n為倍壓器的倍壓級(jí)數(shù)。

其中式（1）給出的是在理想情況下電源的輸出值，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，倍壓器內(nèi)部的器件會(huì)存在一定的內(nèi)阻，從而導(dǎo)致輸出電壓有一定的下降，其下降幅度［7］為：

2 仿真測(cè)試

通過采用MATLAB Simulink軟件對(duì)30k V、5m A高頻高壓直流開關(guān)電源進(jìn)行仿真，從而探究倍壓電路中電容容值、倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能的影響。

2.1 倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能的影響

在電源工作頻率、電容容值一定的情況下，改變倍壓器的倍壓級(jí)數(shù)，通過觀察輸出示波器中的電壓波形來(lái)探究倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能的影響。在圖3中給出了倍壓電容容值為2000p F，倍壓級(jí)數(shù)分別為2級(jí)和4級(jí)的情況下輸出電壓的仿真波形圖。

圖3 不同倍壓級(jí)數(shù)下電源輸出電壓仿真波形圖

由圖3可以看出，增加倍壓器的級(jí)數(shù)后可以提高輸出電壓的值，但延長(zhǎng)了電源達(dá)到穩(wěn)定輸出的時(shí)間。另外，由圖4還可以看出，增加倍壓器的級(jí)數(shù)后還會(huì)增大輸出電壓的波動(dòng)值［8］，這點(diǎn)與理論計(jì)算式（2）的結(jié)果是一致的。

圖4 不同倍壓級(jí)數(shù)下輸出電壓穩(wěn)定時(shí)的波動(dòng)圖

2.2 倍壓器電容容值對(duì)電源性能的影響

圖5給出的是頻率一定，2級(jí)倍壓電路下，且輸出電壓為30k V左右時(shí)，不同電容容值（2000p F、4000p F）的輸出電壓仿真波形圖。

圖5 二級(jí)倍加時(shí)不同電容容值的仿真波形圖

由圖5可以看出，增大電容容值后，會(huì)延長(zhǎng)電源達(dá)到穩(wěn)定工作的時(shí)間。另外，對(duì)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的輸出電壓波形進(jìn)行觀察還可以發(fā)現(xiàn)，采用2000p F時(shí)輸出電壓的波動(dòng)范圍為2V，而采用4000p F時(shí)，電壓的波動(dòng)范圍僅為0.8V，這說(shuō)明增大電容容值還有利于降低電源的紋波，提高了電源的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在MATLAB仿真測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步探究實(shí)際應(yīng)用中，倍壓級(jí)數(shù)、電容容量對(duì)電源性能的影響。在表1中給出了30k V、5m A時(shí)不同倍壓級(jí)數(shù)、倍壓器電容的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表130 kV、5mA輸出時(shí)的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)

通過對(duì)表1的3組實(shí)驗(yàn)采用逐點(diǎn)升壓的方式對(duì)其進(jìn)行記錄，并繪制成如圖6和圖7所示的狀態(tài)曲線。

圖6 “Pout－電源效率”狀態(tài)曲線

圖7 “Uin－Uout”狀態(tài)曲線

3.1 倍壓級(jí)數(shù)對(duì)電源性能影響

由表1及圖6和圖7可以看出，在相同條件下，增加倍壓級(jí)數(shù)后，提高了電源的轉(zhuǎn)換效率，但同時(shí)也增加了電源的供電電壓［9］以及紋波值。另外，增加倍壓級(jí)數(shù)的同時(shí)也擴(kuò)大了電源的體積，因而在對(duì)倍壓級(jí)數(shù)進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)該在滿足電源輸出的情況下，選擇級(jí)數(shù)盡可能少的倍壓器，這樣不僅有利于電源的小型化設(shè)計(jì)，且對(duì)于提高電源的穩(wěn)定性也有很大的好處。

3.2 倍壓器電容容值對(duì)電源性能影響

由表1及圖6可以看出，在相同條件下，當(dāng)倍壓器電容容值由2000p F增加到4000p F時(shí)，盡管功率轉(zhuǎn)換的初期（≤10W）效率偏低，但是隨著輸出功率的增加，在實(shí)現(xiàn)30k V輸出時(shí)，4000p F電源的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了將近90%，明顯大于2000p F。另外，由圖8“Uin－Uout”的關(guān)系曲線還可以看出：電容越大，達(dá)到目標(biāo)電壓輸出時(shí)需要的供電電壓越大。

4 結(jié) 論

通過采用MATLAB Simulink軟件及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)30k V、5m A電源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)：1）在滿足電源輸出的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小倍壓級(jí)數(shù)，有利于縮小電源的體積、提高電源的穩(wěn)定性；2）適當(dāng)增加倍壓器電容容值，可以降低電源紋波、提高電源的效率。

［1］葉漢民.電子束焊機(jī)用高壓電源的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001（10）：39-42.

［2］鄭寶華，程德福，修連存.X射線衍射儀3k W高頻高壓電源設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)與應(yīng)用，2008（10）：71-77.

［3］李鑫.電子直線加速器的高壓直流電源研制［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2009.

［4］銀志軍，趙揚(yáng)，孫大維等.倍壓整流電路的仿真與分析［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2006，21（5）：71-75.

［5］馬躍.150k V小型變頻高壓電源設(shè)計(jì)［D］.沈陽(yáng)：沈陽(yáng)師范大學(xué)，2011：15-17.

［6］魏寶杰，李文杰，張欣榮.MZ-9型通用高壓組合電源倍壓電路設(shè)計(jì)［J］.吉林電子技術(shù)，1988（1）：39-43.

［7］MA Yue，DENG Yufu，ZHANG Shuzhi.A compact high voltage switch-mode power supply For XRF［C］∥Power and Energy Engineering Conference，2010.

［8］賈振寧.X光機(jī)電源設(shè)計(jì)與研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009：12-13.

［9］肖如泉，王琰，曾嶸，等.60k V開關(guān)型直流高壓電源［J］.電源技術(shù)與管理，1999，16（3）：38-41.

Design of voltage multipliers for high-voltage power supply

LIU Hongjun，DENG Yufu，NIU Shufang，ZH AN Zheng，ZHOU Bo，ZHANG Zhimei
（College of Physics Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

The voltage multiplier is an important component of high voltage power supply.In this paper it conducts the simulation tests in MATLAB environment and experimental tests to study the regularity of how the variety of stage number of semi－arm inverse symmetrical voltage multiplier and capacity can affect the performance of high voltage power supply.The experimental tests are carried out based on the simulation studies，and the performances of 30k V，5m A high voltage power supply are also optimized.For the design of 30k V，5m A power supply silicon controlled rectifier（SCR）is used in the power conversion circuit.The results of the study show that in certain frequency condition optimizing the parameter of voltage multiplier has significant effect on improving the efficiency of power supply，reducing the ripple factor of output voltage and enhancing the stability of power supply，which provides the theoretical guidance for the design of high frequency and voltage power supply.

voltage multiplier；high voltage power supply；MATLAB Simulink

TM423

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.03.015

1673-5862（2013）03-0376-04

2013-04-26。

遼寧省科技廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目（20092069）；2011年沈陽(yáng)師范大學(xué)重大原創(chuàng)性科學(xué)研究項(xiàng)目。

劉宏軍（1987-），男，遼寧葫蘆島人，沈陽(yáng)師范大學(xué)碩士研究生；鄧玉福（1966-），男，遼寧東港人，沈陽(yáng)師范大學(xué)教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。