300kV小型高壓電源設計

叢恩佳 孟德川 鄧玉福

摘 要 高壓開關電源在現代科學技術和生產生活中應用十分廣泛，在醫療、光學、工業射線檢測和軍事等領域的儀器中更是不可缺少的核心部件。隨著電子技術的高速發展，人們對高壓電源的便攜程度、高效性和功率大小提出了更高的要求。本文介紹了一種采用可控硅逆變原理，PLC智能化控制的高壓開關電源。電源輸出0-300kV連續可調，電流0-3mA。該電源具有通用性強，結構簡單，操作方便，帶載能力強等多方面優點，具有一定的實用價值。

【關鍵詞】高壓電源 可控硅 PLC

高壓開關電源作為電力電子儀器的核心部件廣泛應用于軍事、醫療、探測等各個領域。隨著逆變技術的發展，高壓開關電源因其轉換效率高、輸出穩定、重量輕等多方面優點正在逐步取代傳統線性高壓電源。本文采用PLC控制和可控硅逆變技術研制出了一種智能化、轉換效率高、輸出穩定、調試方便的300kV3mA小型高壓電源。

1 高壓電源主電路工作原理

高壓電源主電路工作原理如圖1所示。電源的工作原理為：供電單元將市電變為可調直流電，對電源各個部分進行供電。功率轉換單元將輸入的直流電轉換為高頻交流電。轉換的高頻交流電經過變壓器進行一次升壓，再通過倍壓整流電路得到直流高壓后進行輸出。采樣單元為電壓采樣電路，將采樣電路采集到的電壓值經過AD轉換后反饋到PLC控制單元，與設置電壓相比較，利用PID進行穩壓調節，保證電路正常工作。脈沖控制單元由TL494及周圍器件所組成。功率轉換單元由可控硅及其他元件組成，高頻變壓器磁芯材質選擇鐵氧體，倍壓整流單元采用半臂逆對稱式倍壓整流電路。圖2給出的是不同條件下可控硅陽極的工作波形。

由TL494及其周圍元件組成的脈沖控制單元產生約30kHz的觸發脈沖加至可控硅的門極，當脈沖電壓為高電平時，可控硅導通，電流經由變壓器初級線圈通過可控硅流向地，電能轉變為磁能儲存在變壓器中。當脈沖電壓為低電平時，可控硅截止，儲存在初級線圈中的能量通過二極管對電容進行充電，這就是一個完整的高頻振蕩周期。

倍壓整流電路采用半臂逆對稱式，圖3給出的是倍壓整流電路的原理圖。當B為正極、A為負極時，即電流從B流向A時，二極管D1導通、D2截止，電源通過D1向電容C1充電，在理想的情況下，在此半周內，D1可以看成為短路，同時C1充電達到Vm電壓值。當B為負極、A為正極時，即電流從A流向B時，二極管D1截止、D2導通，電源通過C1、D1向C2充電，由于C1的Vm再加上變壓器次級線圈的Vm使C2充電至最高值2Vm。在整個過程中，C2的電壓值并無法在一個半周內立即充至2Vm，它必須在幾個周期以后才可以漸漸趨近于2Vm。

理想情況下，倍壓整流電路輸出端的電壓為：

2 PLC控制原理

PLC功能全面、實用性高、組合多樣。其所具有的功能和各種智能單元、擴展單元及其特殊功能模塊，可按照各種需要，方便靈活地組成各種不同要求和規模的控制系統。

PLC設計流程如圖4所示，主要包括：高壓PID程序、觸摸屏程序、DA輸出程序、AD采樣程序和保護程序。系統工作流程如下：首先系統初始化，通過觸摸屏輸入設定值，PLC控制系統經過運算利用DA輸出控制直流可調穩壓開關電源進行輸出，通過高壓發生電路得到電壓信號，在輸出端串聯采樣電阻進行采樣，采到的電壓值通過隔離器反饋到PLC，PLC將反饋進來的信號值與設定值進行比較。利用高壓PID算法來實現閉環的穩壓穩流控制。當反饋信號值出現異常時，立即啟動保護程序，使DA輸出強制歸零，可以實現電源系統的過壓過流保護功能。

3 測試結果

在測量電阻為6000MΩ，負載為100MΩ的條件下，我們對高壓電源的輸出性能進行了測試，電源輸出特性如圖5所示。

電源的紋波系數為：

高壓電源輸出連續可調，電源的紋波系數小于0.5%；效率大于85%。

4 結語

本文研制的高壓開關電源，采用可控硅功率轉換電路，PLC智能控制，具有結構簡單，帶載能力強的特點。主要性能指標如下：

輸出高壓：0-300kV；

輸出電流：0-3mA；

工作效率：85%以上；

工作頻率：30kHz；

紋波系數：0.5%以下；

將本電源作為X射線分析儀器的供電電源，經過多次試驗，具有智能化程度高、輸出穩定可靠、操作方便、便于攜帶等優點，說明本文所研制的300kV高壓電源設計方案具有較高的實用價值。

（通訊作者：鄧玉福）

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作者簡介

叢恩佳（1992-），男，沈陽師范大學物理科學與技術學院。專業為粒子物理與原子核物理。主要研究方向為高壓開關電源的設計與研究。

作者單位

沈陽師范大學物理科學與技術學院 遼寧省沈陽市 110034