基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

可關(guān)斷晶閘管(GTO)、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等。在選取開關(guān)器件時(shí)，主要可從以下五個(gè)方面考查電器件的性能特點(diǎn)：①導(dǎo)通壓降，②運(yùn)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(dǎo)通電壓特性的兩者優(yōu)點(diǎn)并存的電力半導(dǎo)體器件，可以高速開關(guān)、耐高壓和大電流，所以本設(shè)計(jì)選取MOSFET作為開關(guān)器件。

　　(3)主要參數(shù)計(jì)算及仿真波形

　　一般輸出公率500W以下時(shí)，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(gè)MOSFET受給定的脈沖信號(hào)控制，一個(gè)開通一個(gè)關(guān)斷，并且有一段死區(qū)時(shí)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(jì)

　　高壓電源高頻化的優(yōu)點(diǎn)是裝置小型化，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)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(yán)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(jiǎn)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(shí)工作于高頻fs下的感抗較工頻下增加fs /50倍，嚴(yán)重限制了功率輸出;分布電容相同時(shí)高頻下的容抗較工頻下減小至50/fs ，導(dǎo)致空載電流大，功率因數(shù)低，空載發(fā)熱問題突出。對(duì)上述問題的處理方法是變壓器真空浸油處理(受實(shí)驗(yàn)條件所限，本設(shè)計(jì)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(jì)

　　(1)倍壓電路

　　本設(shè)計(jì)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(gè)電源設(shè)備的體積。

　　現(xiàn)就圖10所示四倍壓整流電路進(jìn)行分析。在分析過程中，均假設(shè)各電容的充電速度遠(yuǎn)大于放電速度，并將導(dǎo)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(fù)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(shí)，由于VD1已導(dǎo)通，C3 上尚無電壓，故C3將通過VD1、VD3向C3充電;在負(fù)半周，u與C1在向C2充電的同時(shí)C3也向尚無電壓的C4 充電。四倍壓電路在這個(gè)周期正、負(fù)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(gè)周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經(jīng)過4個(gè)半周期，即兩個(gè)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(fù)圖11(a)的過程，負(fù)半周重復(fù)圖11(b)的過程。經(jīng)過若于個(gè)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(fù)載RL上得到的電壓為C2、C4上電壓之和即4um 。以此類推，對(duì)于四級(jí)級(jí)(八倍壓)整流電路，也可以得到相同的結(jié)論。本設(shè)計(jì)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(dá)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(jìn)行的仿真實(shí)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(jì)思想，閉環(huán)的反饋電壓應(yīng)取自輸出電壓，但課題中高壓電源的輸出電壓高達(dá)15KV，那么，當(dāng)反饋電壓取自輸出電壓時(shí)，這勢(shì)必對(duì)采樣隔離電路提出較高的絕緣要求，在實(shí)際中會(huì)難于實(shí)現(xiàn)，也會(huì)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(jì)的采樣電壓取自BUCK電路的輸出電壓。

　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，PI調(diào)節(jié)器的運(yùn)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(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref=-2V時(shí)，輸出直流12V左右，當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref =-2.5V時(shí)，輸出直流電壓15V左右，可見通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓Vref 的值，可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)0-15KV大范圍可調(diào)。如圖可見，電壓閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制下輸出電壓的波形符合設(shè)計(jì)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(dòng)后可以基本實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的無凈差。到此基本完成課題設(shè)計(jì)中高壓電源的原理設(shè)計(jì)，下面給出實(shí)際電路中的芯片控制驅(qū)動(dòng)。

　　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(diǎn)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(shí)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?yàn)殚_拓了國(guó)內(nèi)外市場(chǎng);③該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn);④該電源利用了DSP，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PI的實(shí)時(shí)控制，因而能良好的工作且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

　　課題設(shè)計(jì)主要在PSPICE軟件中完成，首先分析了高壓電源系統(tǒng)各個(gè)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(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)電路各個(gè)參數(shù)使閉環(huán)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求，并且在存在擾動(dòng)的情況下可以實(shí)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(jì)過程，可以得到以下結(jié)論：

　?、籴槍?duì)系統(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。

　?、贐UCK閉環(huán)環(huán)節(jié)使用光電耦合器HCNR201進(jìn)行電壓采樣隔離，MOSFET的隔離驅(qū)動(dòng)使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保證驅(qū)動(dòng)電路工作的有效性和安全性。

　?、勰孀冸娐返目刂齐娐酚尚酒琒G3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了過壓保護(hù)、過流保護(hù)、軟啟動(dòng)、欠電壓鎖定、擊穿短路保護(hù)等功能保證控制信號(hào)的準(zhǔn)確性。SG3525輸出的PWM信號(hào)通過兩片IR2110后驅(qū)動(dòng)逆變電路的兩個(gè)橋臂，這保證了驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的死去時(shí)間，防止橋臂的直通現(xiàn)象。

　?、茈娐吩O(shè)計(jì)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。