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一种小型化高压小功率电源

作者:■中国航空计算技术研究所 张阿林 西北工业大学电子工程学院 张晓燕时间:2005-05-06来源:eaw收藏

摘    要:本文论述一种,它一改传统的同种类高、低压组合式的一体化方式,体积、重量都大大减小。指出了开关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:

引言
目前的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 T.A.Smith and S.Dimitrijer,覣nalysis of a multiresonant forward converter based on nonideal coupling of the transformer,IEEE Trans.powerElectron,Vol.15,pp.111-120, Jan.2000

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