一種開關型高壓直流電源的設計

王寅平

【摘要】提出一種脈寬調壓式功率管-LC高壓直流電源的電路設計。由脈寬調制\電路輸出方波脈沖驅動開關功率管-LC電路,使其產生高頻功率振蕩;通過調諧脈沖寬度控制輸出高壓;設計同步脈沖反饋電路,迫使驅動電路的脈沖頻率與LC諧振同步,從而提高輸出效率和脈寬調諧能力,實現大功率輸出。

　　關鍵詞：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變換是直接通過電源變壓器將工頻交流電升壓,經高壓硅堆整流后產生高壓直流輸出,采用可控硅控制和調壓,通過對可控硅的移相觸發控制,改變輸入端的交流電壓,從而實現對輸出電壓的控制。這類高壓電源輸出功率大,主要應用于工業方面。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關器件對輸入直流進行斬波的基礎上。用脈沖變壓器和高壓整流器件將LC電路產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用于一些方面,但又因其輸出功率小,效率低,穩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，通常由兩個部分組成:
　　一部分是功率電路,用于產生LC振蕩和高壓功率輸出;
　　另一部分是驅動電路,它產生一定頻率和脈寬的驅動脈沖,驅動功率管的導通和截止。
　　目前這類高壓電源的主要問題在于:
(1)驅動脈沖與LC諧振不同步，使功率管的功率損耗增大;
(2)功率管工作于非開關狀態，如工作于諧波狀態而使功率管的功率損耗較大;
(3)采用諧波反饋驅動使輸出的穩定性受諧波畸變的影響較大;
　　(4)調壓方式是調諧電路的直流電壓,而調壓器件的額定功率限制了大功率輸出的可能。
　　為解決這些問題本文提出相應的電路設計,其基本原理是:采用脈寬調制(PWM)方式控制高壓直流輸出;分別向功率電路與驅動電路提供電源,使功率電路的輸入功率額度不受限制。為此本文中的驅動電路設計包括了實現相應功能的電路:振蕩電路——它產生頻率小于LC諧振頻率的鋸齒波,向功率電路提供驅動信號;同步脈沖電路——它通過比較功率管集電端的電壓而產生同步脈沖信號,強迫振蕩器與LC諧振同步;脈寬調制電路以及驅動功放電路——它將鋸齒波轉換成方波脈沖輸出并可調諧脈沖寬度以驅動功率電路中功率管的飽和導通和截止，調控飽和導通時間。

2　驅動電路
　　驅動電路由振蕩器、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～IC₃是3個電壓比較器,輸出端為集電開路。IC₂、D₂、C₂以及R₂₁～R₂₅等構成鋸齒波振蕩電路。E₁是用小功率電源變壓器、橋式整流器和整流電容等構成的低壓直流電源的電壓,但未經精確的集成穩壓,因此可保證其與工頻交流電網電壓的幅值變化呈線性關系。以E₁作為經R₂₁和R₂₂(R₂₁>>R₂₂)向C₂充電電源,E₁經集成穩壓后E(E<E₁)為驅動電路電源。充電時,當C₂端電壓u_C大于R₂₃和R₂₄之間分壓u₂時,IC₂輸出低電平,C₂通過R₂₂,D₂放電,電壓u_C下降。當u_C下降到R₂₃和R′₂₄(R′₂₄為R₂₄與R₂₅的并聯值)之間的分壓u′₂₂時,IC₂輸出截止。E₁經R₂₁,R₂₂再次向C₂充電,如此反復,u_C周期性變化,其周期為T。

圖1　驅動電路簡圖

式中　
　　　
　　在E₁與u′₂相比較大的情況下,C₂端的電壓波動是較理想的鋸齒波,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。當u_C<u₃時,IC₃輸出高電平,當u_C>u₃時,IC₃輸出低電平,鋸齒波的輸入使IC₃輸出方波脈沖,通過調u₃可線性調諧脈沖寬度t₀,

(2)

IC₁、D₁、C₁、BG₁、BG₂以及R₁₁～R₁₆等組成同步脈沖電路。D₁是耐壓快恢復二管,它的P與功率電路中功率管的集電端連接。當功率管截止,在LC電路振蕩的波的正脈沖過后,功率管的集電端電壓UX降到小于IC₁負輸入端基準電壓u₁₁時,IC₁輸出低電平,經R₁₂,C₁微分產生一尖脈沖,經BG₁放大后觸發BG₂飽和導通,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,C₂不再經過R₂₂、D₂放電,而是通過BG₂飽和導通放電,此時振蕩器與LC諧振同步,IC₃輸出同步驅動脈沖。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的基接驅動電路輸出端,驅動電路輸出正方波脈沖時,BG飽和導通,流過L的電流迅速增大,當其截止時,LC發生串聯諧振,BG集電端X點對地產生較高電壓脈沖,當該脈沖電壓降回到零附近時,BG集電端通過二管D₁向同步脈沖電路反饋一負脈沖,促使驅動電路再次輸出正方波脈沖,使BG再次飽和導通,如此脈沖變壓器只將BG關斷后LC串聯諧振所產生的波的正脈沖升壓輸出。在BG導通的t₀時間內,線圈L上產生磁化電流i₀，BG截止后,LC電路在初始電流i

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