工程師技術(shù)分享：基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

(2)開關(guān)器件的選取

在調(diào)壓及逆變電路中，開關(guān)器件起著核心的作用。開關(guān)器件有很多種，如按功率等級(jí)來分類，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等：按制造材料分類有鍺管、硅管等;按導(dǎo)電機(jī)理分類有雙極型器件、單極型器件、混合型器件等;按控制方式來分類，可分為不可控器件、半可控器件和全可控器件三類器件：不可控器件包括整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管等：半可控器件包括普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等;全可控器件包括功率晶體管(BJT)、功率場(chǎng)效應(yīng)管功率場(chǎng)效應(yīng)管(Power MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、

靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、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