一種小功率高壓電源的設(shè)計

一、引言

　　高壓電源，又名高壓發(fā)生器，英文：High voltage power supply,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(dá)幾萬伏，甚至高達(dá)幾十萬伏特或更高。我們通常所說的高壓電源，一般泛指直流高壓電源，直流高壓電源又有線性調(diào)整高壓電源和開關(guān)型調(diào)整高壓電源兩種。其技術(shù)發(fā)展方向主要有兩個，一是提高電源功率，即高電壓、高電流；二是縮小電源體積，即高電壓，小體積，縮小電源的體積主要是提高電源的開關(guān)頻率。高功率電源，往往體積較大，而小體積電源，往往電流較小，功率較低。除此之外，高轉(zhuǎn)換效率，高負(fù)載，高精度，低紋波，也是高壓電源設(shè)計者的研究方向。

高壓電源已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用？醫(yī)學(xué)、工業(yè)無損探傷、車站、海關(guān)檢驗等檢測設(shè)備中，也廣泛應(yīng)用于諸如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子航空圖顯示器等軍事領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源體積大、笨重，嚴(yán)重影響了所配套設(shè)備的發(fā)展。目前的高壓電源多采用開關(guān)電源形式，大大降低了體積重量，增加了功率，提高了效率。特別是高壓小功率開關(guān)電源，幾乎都是開關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本文所討論的高壓小功率開關(guān)電源，是為X射線電視透視系統(tǒng)配套設(shè)計的。這種系統(tǒng)是對原始X射線設(shè)備的改進(jìn)，它增加一個叫做圖像增強(qiáng)器的設(shè)備。這種設(shè)備采用電極對電子進(jìn)行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

　　二、方案選擇

　　1.用途

　　高壓電源用途很多，主要包括了X光機(jī)高壓電源，激光高壓電源，光譜分析高壓電源，無損探傷高壓電源，半導(dǎo)體制造設(shè)備高壓電源，毛細(xì)管電泳高壓電源，無損檢測高壓電源，半導(dǎo)體技術(shù)中的粒子注入高壓電源、物理汽相沉積高壓電源（PVD），納米光刻高壓電源，用于離子束沉積、離子束輔助沉積、電子束蒸發(fā)、電子束焊接、離子源、直流磁控反應(yīng)濺射、玻璃/織物鍍膜、輝光放電、微波處理高壓電容測試、CRT顯示器測試、高壓電纜故障測試（PD testing）、TWT測試、H-POT測試。粒子加速器、自由電子激光、中子源、回旋加速源器、電容電感脈沖發(fā)生網(wǎng)絡(luò)、Marx高壓脈沖發(fā)生器、電容充電器。微波加熱、射頻放大、納米技術(shù)應(yīng)用、靜電技術(shù)應(yīng)用、靜電紡絲制備納米纖維，核儀器用高壓電源等的高壓電源產(chǎn)品。

小功率高壓電源最常用的例子是電視機(jī)的陽極高壓發(fā)生器，它將幾十伏的直流電源，通過功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變?yōu)楦邏狠敵?；另一個應(yīng)用實例是負(fù)離子發(fā)生器，常采用晶閘管調(diào)壓方式。以上兩種調(diào)壓方式都需要一臺單獨可調(diào)的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復(fù)雜程度。加之，由于電路結(jié)構(gòu)形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調(diào)節(jié)很有限，需要大范圍調(diào)節(jié)時，只能通過改變供電電壓來實現(xiàn)。而X射線增強(qiáng)器的主路電壓調(diào)節(jié)范圍近10kV，上述電路形式很難滿足要求。本文采用的半橋諧振式開關(guān)電源，成功地解決了以上問題。

　　三、技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓 220（1±10％）V，（50±0.5）Hz；或?qū)挿秶斎腚妷?80～250V。

　　輸出電壓／電流

　　陽極（正）電壓/電流

　　標(biāo)稱值 ＋25kV/1mA，

　　電壓范圍 ＋23kV～＋32kV；

　　標(biāo)稱值 ＋7.35kV/200μA，

　　電壓范圍 ＋6.0kV～＋7.8kV；

　　標(biāo)稱值 ＋0.985kV/200μA；

　　電壓范圍 ＋0.8kV～＋1.1kV；

　　陰極（負(fù)）電壓/電流

　　標(biāo)稱值 －0.75kV/500μA；

　　電壓范圍 －0.5kV～－1kV。

　　以上4路電壓連動輸出。

　　穩(wěn)定度 1％。

　　工作溫度范圍 0℃～＋40℃。

　　存貯溫度范圍 －40℃～＋55℃。

　　外形尺寸 160mm×135mm×43mm。

　　圖像增強(qiáng)器的電極在加工時不可避免存在有毛刺，在高電壓下尖端放電擊穿打火。要把毛刺燒掉，需要有較大的電流。這樣，一方面要求電源輸出功率設(shè)計得更要大些，另一方面應(yīng)有完善的保護(hù)措施。

　　四、系統(tǒng)框圖及工作原理

　　25kV小型化高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上?？刂齐娐酚勺畛Ｓ肧G3525芯片組成?？刂齐娐吠ㄟ^高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產(chǎn)生激勵脈沖去驅(qū)動功率MOS場效應(yīng)管，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。