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一种小型化高压小功率电源

发布时间:2020-07-21 18:23:33 阅读: 来源:纸箱包装厂家

摘 要:本文论述一种小型化的高压电源,它一改传统的同种类高、低压组合式电源的一体化方式,体积、重量都大大减小。指出了开关电源技术在高压小功率电源应用中存在的问题和解决办法,在研制和实验过程中应用了PSPICE仿真技术,给出了实测和仿真波形。关键词:小型化;高压变压器;高压电源

引言目前的高压电源多采用开关电源形式,大大降低了体积和重量,增加了功率,提高了效率。特别是高压小功率开关电源,几乎都是开关电源结构。本文所讨论的高压小功率开关电源,是为x射线电视透视系统配套设计的。这种系统是对原始x射线设备的改进,它增加了一个叫作图像增强器的设备。这种设备采用电极对电子加速和聚焦,因而需要与之相配套的小功率高压电源。方案选择小功率高压电源最常用的例子是电视机的阳极高压发生器。它将几十伏的较低直流电压,通过功率转换和高压变压器升压,再整流滤波,成为高压输出。另一种常见方式是采用晶闸管。以上两种方式都需要一台单独可调的辅助电源,即高、低压组合方式。这样加大了电源的体积和复杂程度。再之,由于电路结构形式的不同,它们的输出电压范围的调节很有限,需要大范围调节时,只能通过改变供电电压来实现。而x射线增强器的主路电压调节范围近10KV,上述电路形式很难满足要求。本文采用的半桥谐振式开关电源成功地解决了以上问题。

系统框图及工作原理25KV小型化高压电源的系统框图如图1所示。输入的市电经净化滤波后整流成300V左右的直流电压并加到半桥电路的MOS管上。控制电路由最常用SG3525芯片组成。控制回路通过高压部件反馈绕组将输出电压的变化量取回,产生激励脉冲去驱动功率MOS场效应管,实现稳压目的。

技术难点及解决办法体积与绝缘这种电源是专为x射线增强器配置的,它被装在x射线增强器底座下一个狭小的空间,因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择、电路的性能及绝缘、散热问题有直接关系。本电路将功率转换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置,并选择高强度的绝缘介质填充高压部分,很好地解决了这个问题。高压变压器高压变压器是高压电源的核心部件。在高压变压器中,由于匝数增多,特别是次级匝数增多,当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时,必须考虑分布电容和漏感问题。这时,变压器模型如图2所示。L漏为漏感,C初、C次分别为初级和次级的分布电容。变压器漏感L漏和次级分布电容构成了串联谐振回路。当变压器次级开路或负载较轻时变压器可看成电感,因而与次级分布电容C次构成并联谐振回路,其等效电路如图3所示。发生谐振时,电容两端的电压会高出工作电压,也就是说变压器内部的电压会高于输出电压。这无形中增大了对变压器耐压的要求。因而在变压器的绕制过程中,要尽量减少分布电容和漏感。假设各层电容相等,绕组共有m层,则其中分布电容为。式中C为次级绕组固有电容,N次为级绕组匝数。当次级匝数一定时,次级等效到初级的分布电容与次级的层数有关,层数越多分布电容越小。每一层上的匝数越少。分布电容越小。为了减小分布电容,采取分段分组绕制方式。并增加层数,减小每层匝数。变压器采用马蹄形铁氧体磁芯,其绕制方法见图4。实践证明,分段分组绕制法还较好地解决了高压变压器的绝缘问题。输入电压范围的调制工作在高频高压条件下的小功率电源,输入电压范围的调节会出现困难。不但调整率很差,而且在输入电压超过一定值时,电源无输出,或输出电压不稳定。原因是高压小功率电源的占空比很小,工作时的导通脉宽很窄(呈窄脉冲工作状态)。当输入电压升高时,输出能量不变,脉冲宽度变窄,幅度加长。输入电压升高到一定限度,控制电路呈失控状态,无法实现有效的闭环控制,导致整个电路关闭。为解决这个问题,本文经过分析试验,设计了一个输入电压调节电路,如图5所示。它实际上是一个输入电压预稳压电路,输入电压经过它,成为基本稳定的电压,再加到主电路(开关电路)上。经过调试,试验和长期装机应用,证明了该电路的稳定与可靠。表1是设置输入电压调节电路与没有设置时的实测数据。为简化起见,这里只给出输出主回路(25KV)参数。明显看出,加了该电路后,输入电压调整率大大提高,输入电压调节范围也增至250V。上电时,输入端瞬间冲击电流很大,对输入电压调节电路造成危害。为此,还专门设计了输入缓冲电路。另外,高压电源变压器的变比n较大,变压器次级反馈到初级变化率较小,带来的问题是稳压效果不理想。因此,本文还设计了输出电压预稳压电路。因篇幅有限,实际电路从略。

开关电路的仿真实验开关级电路电原理如图6所示。这里开关级的负载是开关变压器,它的输入特性与负载的特性有关。在高压小功率应用中,由于输出电流小,负载电阻大,次级整流二极管的导通角很小。为便于建立仿真模型。可忽略负载电阻的影响。由于应用了仿真技术,大大简化了实验过程,降低了设计周期。用PSPICE仿真程序对图6电路分为轻载和重载两种情况进行仿真,结果见图7和图8。图7是输出电流为10mA时的变压器初级电流波形。图8是输出电流为1mA时的变压器初级电流波形。在以后进行的电路实验中,实测的电流波形与仿真的波形基本相符。另外,从仿真波形还可看到轻载时的浪涌电流峰值较大,与重载时几乎相等。变压器空载损耗增加。导致变压器发热,这是需要进一步解决的问题。

结语在x射线增强器生产工序中,需配置一台大功率的高压(输出电压高达30KV)电源,对半成品进行老化,打毛刺处理。由于本电源性能已满足上述要求,可以用来替代这台大功率电源。既节省了设备,又缩短了生产加工周期。■

参考文献1 Young-Goo,Anand K. Upadhyay, Dennis L. stephens“Analysis and design of a half-bridage parallel resonant converter operating above resonance”,IEEE Trans. Ind. APP.,PP 386-395. March/April 1991.2 ith and mitrijer,覣nalysis of a multiresonant forward converter based on nonideal coupling of the transformer,IEEE werElectron,Vol.15,pp.111-120, Jan.2000

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