一種小型化高壓小功率電源

摘    要：本文論述一種小型化的高壓電源，它一改傳統(tǒng)的同種類高、低壓組合式電源的一體化方式，體積、重量都大大減小。指出了開關(guān)電源技術(shù)在高壓小功率電源應(yīng)用中存在的問題和解決辦法，在研制和實驗過程中應(yīng)用了PSPICE仿真技術(shù)，給出了實測和仿真波形。
關(guān)鍵詞：小型化；高壓變壓器；高壓電源

引言
目前的高壓電源多采用開關(guān)電源形式，大大降低了體積和重量，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，它增加了一個叫作圖像增強器的設(shè)備。這種設(shè)備采用電極對電子加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。
方案選擇
小功率高壓電源最常用的例子是電視機的陽極高壓發(fā)生器。它將幾十伏的較低直流電壓，通過功率轉(zhuǎn)換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，成為高壓輸出。另一種常見方式是采用晶閘管。以上兩種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。這樣加大了電源的體積和復(fù)雜程度。再之，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。

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

技術(shù)難點及解決辦法
體積與絕緣
這種電源是專為x射線增強器配置的，它被裝在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、散熱問題有直接關(guān)系。本電路將功率轉(zhuǎn)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(zhì)填充高壓部分，很好地解決了這個問題。
高壓變壓器
高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在高壓變壓器中，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。L漏為漏感，C初、C次分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L漏和次級分布電容構(gòu)成了串聯(lián)諧振回路。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C次構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，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耐壓的要求。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(shè)各層電容相等，繞組共有m層，則其中分布電容為。式中C為次級繞組固有電容，N次為級繞組匝數(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(guān)，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，其繞制方法見圖4。
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。
輸入電壓范圍的調(diào)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(diào)節(jié)會出現(xiàn)困難。不但調(diào)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(dǎo)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(dǎo)致整個電路關(guān)閉。為解決這個問題，本文經(jīng)過分析試驗，設(shè)計了一個輸入電壓調(diào)節(jié)電路，如圖5所示。它實際上是一個輸入電壓預(yù)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(guān)電路)上。
經(jīng)過調(diào)試，試驗和長期裝機應(yīng)用，證明了該電路的穩(wěn)定與可靠。表1是設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)電路與沒有設(shè)置時的實測數(shù)據(jù)。為簡化起見，這里只給出輸出主回路(25KV)參數(shù)。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調(diào)整率大大提高，輸入電壓調(diào)節(jié)范圍也增至250V。
上電時，輸入端瞬間沖擊電流很大，對輸入電壓調(diào)節(jié)電路造成危害。為此，還專門設(shè)計了輸入緩沖電路。
另外，高壓電源變壓器的變比n較大，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。因此，本文還設(shè)計了輸出電壓預(yù)穩(wěn)壓電路。因篇幅有限，實際電路從略。

開關(guān)電路的仿真實驗
開關(guān)級電路電原理如圖6所示。這里開關(guān)級的負載是開關(guān)變壓器，它的輸入特性與負載的特性有關(guān)。在高壓小功率應(yīng)用中，由于輸出電流小，負載電阻大，次級整流二極管的導(dǎo)通角很小。為便于建立仿真模型?？珊雎载撦d電阻的影響。
由于應(yīng)用了仿真技術(shù)，大大簡化了實驗過程，降低了設(shè)計周期。用PSPICE仿真程序?qū)D6電路分為輕載和重載兩種情況進行仿真，結(jié)果見圖7和圖8。圖7是輸出電流為10mA時的變壓器初級電流波形。圖8是輸出電流為1mA時的變壓器初級電流波形。在以后進行的電路實驗中，實測的電流波形與仿真的波形基本相符。另外，從仿真波形還可看到輕載時的浪涌電流峰值較大，與重載時幾乎相等。變壓器空載損耗增加。導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，這是需要進一步解決的問題。

結(jié)語
在x射線增強器生產(chǎn)工序中，需配置一臺大功率的高壓(輸出電壓高達30KV)電源，對半成品進行老化，打毛刺處理。由于本電源性能已滿足上述要求，可以用來替代這臺大功率電源。既節(jié)省了設(shè)備，又縮短了生產(chǎn)加工周期?！?/P>

參考文獻
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