一種小功率高壓電源的設計

　　1.體積與絕緣

　　這種電源是專為X射線增強器配套的，它被安裝在X射線增強器底座下一個狹小的空間，因而要求體積小。體積的減小與電路形式的選擇，電路的性能及絕緣，散熱等問題有直接關系。本電路將功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置，并選擇高強度的絕緣介質填充高壓部分，很好地解決了這個問題。

　　2.高頻高壓變壓器

　　高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓（功率）變壓器中，可以不考慮波形的畸變和工作頻帶的問題，因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中，由于匝數(shù)增多，特別是次級匝數(shù)增多，當變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時，必須考慮分布電容和漏感問題。這時，變壓器模型如圖2所示。L1為漏感，Cp和Cs分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L1和次級分布電容構成了串聯(lián)諧振電路。當變壓器次級開路或負載較輕時變壓器可看成電感，因而與次級分布電容Cs構成并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖3所示。發(fā)生諧振時，電容兩端的電壓會高出工作電壓，也就是說變壓器內(nèi)部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器的耐壓要求。因而在變壓器的繞制過程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設各層電容相等，繞組共有m層，則分布電容Cs=C（C為次級繞組固有電容，N2為次級繞組匝數(shù)）。當次級匝數(shù)一定時，次級等效到初級的分布電容與次級的層數(shù)有關，層數(shù)越多分布電容越小。每一層上的匝數(shù)越少，分布電容越小。為了減小分布電容，采取分段分組繞制方式，并增加層數(shù)，減小每層匝數(shù)。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制示意如圖4所示。

圖2 考慮分布電容的變壓器模型

圖3 分布電容折合到初級的等效電路

圖4 高壓變壓器繞制示意圖

　　實踐證明，分段分組繞制法還較好地解決了高壓變壓器的絕緣問題。

　　3. 輸入電壓范圍的調制

　　工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調節(jié)會出現(xiàn)困難。不但調整率很差，而且在輸入電壓超過一定值時，電源無輸出，或輸出電壓不穩(wěn)定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時的導通脈寬很窄（呈窄脈沖工作狀態(tài)）。當輸入電壓升高時，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態(tài)，無法實現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，導致整個電路關閉。為解決這個問題，經(jīng)過分析試驗，設計了一個輸入電壓調節(jié)電路，如圖5所示。

圖5 輸入電壓調節(jié)電路

　　它實際上是一個輸入電壓預穩(wěn)壓電路，輸入電壓經(jīng)過它，成為基本穩(wěn)定的電壓，再加到主電路（開關電路）上。

　　經(jīng)過調試，試驗和長期裝機應用，證明了該電路的穩(wěn)定與可靠。表1是設置輸入電壓調節(jié)電路與沒有設置時的實測數(shù)據(jù)。為簡化起見，這里只給出輸出主電路（25kV）參數(shù)。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調整率大大提高，輸入電壓調節(jié)范圍也增至250V。

　　表1 輸入電壓變化對輸出電壓的影響

　　由于上電時，輸入端瞬間沖擊電流很大，對輸入電壓調節(jié)電路造成危害。為此，還專門設計了輸入緩沖電路。

　　另外，高壓電源變壓器的變比n大，變壓器次級反饋到初級變化率較小，帶來的問題是穩(wěn)壓效果不理想。這樣，還設計了輸出電壓預穩(wěn)壓電路。因篇幅有限，實際電路從略。