一種開(kāi)關(guān)型高壓直流電源的設(shè)計(jì)

王寅平

【摘要】提出一種脈寬調(diào)壓式功率管-LC高壓直流電源的電路設(shè)計(jì)。由脈寬調(diào)制\電路輸出方波脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)功率管-LC電路,使其產(chǎn)生高頻功率振蕩;通過(guò)調(diào)諧脈沖寬度控制輸出高壓;設(shè)計(jì)同步脈沖反饋電路,迫使驅(qū)動(dòng)電路的脈沖頻率與LC諧振同步,從而提高輸出效率和脈寬調(diào)諧能力,實(shí)現(xiàn)大功率輸出。

　　關(guān)鍵詞：高壓直流；PWM；同步脈沖

ADesignofHighVoltageDCPowerSourcewithHighFrequencyRectification

WangYinping

Abstract：Thethesisputforwardsadesignofelectriccircuitswhichcangethigh-poweroutputofhighvoltageDC.Thecircuitsincludepulsewidthmodulation(PWM)circuit，synchronizationcircuit，LCcircuitandpowerswitchtransistorsetc.TheoutputofPWMplusessynchronizedbyfeedbacksignalsdrivethetransistorsandLCcircuittogetpowerplusesoutput.

Keywords：HighvoltageDC;PWM;Synchronizationpluses

1　前言
　　高壓直流電源根據(jù)其電流變換方式通常可分為AC/DC和DC/DC變換兩種類型^[1]。AC/DC變換是直接通過(guò)電源變壓器將工頻交流電升壓,經(jīng)高壓硅堆整流后產(chǎn)生高壓直流輸出,采用可控硅控制和調(diào)壓,通過(guò)對(duì)可控硅的移相觸發(fā)控制,改變輸入端的交流電壓,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。這類高壓電源輸出功率大,主要應(yīng)用于工業(yè)方面。DC/DC變換的高壓電源,即功率管-LC振蕩式高壓電源,其基本原理是建立在開(kāi)關(guān)器件對(duì)輸入直流進(jìn)行斬波的基礎(chǔ)上。用脈沖變壓器和高壓整流器件將LC電路產(chǎn)生的高頻脈沖升壓整流成高壓直流。此類電源因其體積小,獲得靜電高壓容易而應(yīng)用于一些方面,但又因其輸出功率小,效率低,穩(wěn)定性不好等原因限制了它的使用范圍。
　　功率管-LC振蕩式高壓直流電源，通常由兩個(gè)部分組成:
　　一部分是功率電路,用于產(chǎn)生LC振蕩和高壓功率輸出;
　　另一部分是驅(qū)動(dòng)電路,它產(chǎn)生一定頻率和脈寬的驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通和截止。
　　目前這類高壓電源的主要問(wèn)題在于:
(1)驅(qū)動(dòng)脈沖與LC諧振不同步，使功率管的功率損耗增大;
(2)功率管工作于非開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如工作于諧波狀態(tài)而使功率管的功率損耗較大;
(3)采用諧波反饋驅(qū)動(dòng)使輸出的穩(wěn)定性受諧波畸變的影響較大;
　　(4)調(diào)壓方式是調(diào)諧電路的直流電壓,而調(diào)壓器件的額定功率限制了大功率輸出的可能。
　　為解決這些問(wèn)題本文提出相應(yīng)的電路設(shè)計(jì),其基本原理是:采用脈寬調(diào)制(PWM)方式控制高壓直流輸出;分別向功率電路與驅(qū)動(dòng)電路提供電源,使功率電路的輸入功率額度不受限制。為此本文中的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)包括了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的電路:振蕩電路——它產(chǎn)生頻率小于LC諧振頻率的鋸齒波,向功率電路提供驅(qū)動(dòng)信號(hào);同步脈沖電路——它通過(guò)比較功率管集電端的電壓而產(chǎn)生同步脈沖信號(hào),強(qiáng)迫振蕩器與LC諧振同步;脈寬調(diào)制電路以及驅(qū)動(dòng)功放電路——它將鋸齒波轉(zhuǎn)換成方波脈沖輸出并可調(diào)諧脈沖寬度以驅(qū)動(dòng)功率電路中功率管的飽和導(dǎo)通和截止，調(diào)控飽和導(dǎo)通時(shí)間。

2　驅(qū)動(dòng)電路
　　驅(qū)動(dòng)電路由振蕩器、同步脈沖電路、PWM電路和脈沖功放電路等功能模塊組成,電路基本原理，如圖1所示，IC₁～I(xiàn)C₃是3個(gè)電壓比較器,輸出端為集電極開(kāi)路。IC₂、D₂、C₂以及R₂₁～R₂₅等構(gòu)成鋸齒波振蕩電路。E₁是用小功率電源變壓器、橋式整流器和整流電容等構(gòu)成的低壓直流電源的電壓,但未經(jīng)精確的集成穩(wěn)壓,因此可保證其與工頻交流電網(wǎng)電壓的幅值變化呈線性關(guān)系。以E₁作為經(jīng)R₂₁和R₂₂(R₂₁>>R₂₂)向C₂充電電源,E₁經(jīng)集成穩(wěn)壓后E(E<E₁)為驅(qū)動(dòng)電路電源。充電時(shí),當(dāng)C₂端電壓u_C大于R₂₃和R₂₄之間分壓u₂時(shí),IC₂輸出低電平,C₂通過(guò)R₂₂,D₂放電,電壓u_C下降。當(dāng)u_C下降到R₂₃和R′₂₄(R′₂₄為R₂₄與R₂₅的并聯(lián)值)之間的分壓u′₂₂時(shí),IC₂輸出截止。E₁經(jīng)R₂₁,R₂₂再次向C₂充電,如此反復(fù),u_C周期性變化,其周期為T。

圖1　驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)圖

式中　
　　　
　　在E₁與u′₂相比較大的情況下,C₂端的電壓波動(dòng)是較理想的鋸齒波,T近似為

(1)

IC₃為PWM電路的核心元件,其‘ ’端輸入電壓為u₃,可調(diào)。當(dāng)u_C<u₃時(shí),IC₃輸出高電平,當(dāng)u_C>u₃時(shí),IC₃輸出低電平,鋸齒波的輸入使IC₃輸出方波脈沖,通過(guò)調(diào)u₃可線性調(diào)諧脈沖寬度t₀,

(2)

IC₁、D₁、C₁、BG₁、BG₂以及R₁₁～R₁₆等組成同步脈沖電路。D₁是耐壓快恢復(fù)二極管,它的P極與功率電路中功率管的集電端連接。當(dāng)功率管截止,在LC電路振蕩的第一波的正脈沖過(guò)后,功率管的集電端電壓UX降到小于IC₁負(fù)輸入端基準(zhǔn)電壓u₁₁時(shí),IC₁輸出低電平,經(jīng)R₁₂,C₁微分產(chǎn)生一尖脈沖,經(jīng)BG₁放大后觸發(fā)BG₂飽和導(dǎo)通,使C₂迅速放電。由于振蕩器固有頻率小于LC諧頻,在同步脈沖電路工作時(shí),C₂不再經(jīng)過(guò)R₂₂、D₂放電,而是通過(guò)BG₂飽和導(dǎo)通放電,此時(shí)振蕩器與LC諧振同步,IC₃輸出同步驅(qū)動(dòng)脈沖。圖2(a)為同步前u_C的波形;圖2(b)是U_X的波形;圖2(c)是同步后u_C的波形。

圖2　同步前后鋸齒波形與LC電路X點(diǎn)的脈沖波形

2功率電路
　　基本電路，如圖3(a)。功率電路的電源為E₀,可直接從工頻交流電橋式整流獲得。功率管BG的基極接驅(qū)動(dòng)電路輸出端,驅(qū)動(dòng)電路輸出正方波脈沖時(shí),BG飽和導(dǎo)通,流過(guò)L的電流迅速增大,當(dāng)其截止時(shí),LC發(fā)生串聯(lián)諧振,BG集電端X點(diǎn)對(duì)地產(chǎn)生較高電壓脈沖,當(dāng)該脈沖電壓降回到零附近時(shí),BG集電端通過(guò)二極管D₁向同步脈沖電路反饋一負(fù)脈沖,促使驅(qū)動(dòng)電路再次輸出正方波脈沖,使BG再次飽和導(dǎo)通,如此脈沖變壓器只將BG關(guān)斷后LC串聯(lián)諧振所產(chǎn)生的第一波的正脈沖升壓輸出。在BG導(dǎo)通的t₀時(shí)間內(nèi),線圈L上產(chǎn)生磁化電流i₀，BG截止后,LC電路在初始電流i

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