高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計

孫 俊

(中國船舶重工揚(yáng)州723研究所 第4研究部,江蘇 揚(yáng)州 225001)

高頻高壓電源中倍壓器的設(shè)計

孫 俊

(中國船舶重工揚(yáng)州723研究所 第4研究部,江蘇 揚(yáng)州 225001)

倍壓器作為高壓電源的重要組成部分對于提高電源的性能具有特殊作用。分析了倍壓器相關(guān)參數(shù)對電源性能的影響規(guī)律,用理論分析的方法設(shè)計了一種半臂式倍壓器,并對其進(jìn)行了實際測試。仿真與測試結(jié)果表明,倍壓器參數(shù)優(yōu)化對于電源性能具有顯著影響,且實現(xiàn)了倍壓器設(shè)計的優(yōu)化。

倍壓器;高壓電源;仿真設(shè)計;實際測試

目前,高壓直流電源已被廣泛應(yīng)用。以目前的技術(shù)要獲取直流高壓,一般通過將市網(wǎng)交流電進(jìn)行功率變換,升壓后再整流濾波輸出。但是由于這種方法輸出的電壓波動性較大,因此只可用于對電壓要求不高的用戶,利用這種方式升壓,不僅需要配備大體積的變壓器和較大的寄生電容,同時由于相對較大的充放電電流對整個整流器件的耐壓也有較高的要求,并且電源變化效率低,電源在工作過程中還會產(chǎn)生很大的噪聲。隨著電力基礎(chǔ)理論的發(fā)展和制造技術(shù)的進(jìn)步,特別是高頻高壓開關(guān)電源技術(shù)的廣泛應(yīng)用,倍壓器逐步應(yīng)用于高壓電源的設(shè)計之中。并成為整個設(shè)計中提高輸出電壓的關(guān)鍵,因此要提高整個電源的性能,對倍壓器進(jìn)行合理設(shè)計和改進(jìn)就具有重要的理論和現(xiàn)實價值。文中以30 kV、5 mA的高頻高壓直流開關(guān)電源的倍壓器設(shè)計為例,對倍壓器倍的參數(shù)和電源性能之間的關(guān)系以及相互影響進(jìn)行研究,并進(jìn)行實驗驗證。

1 倍壓整流電路

半臂逆對稱式倍壓器是在微型高壓電源的設(shè)計經(jīng)常使用的一種簡單、常用的倍壓電路。其原理如圖1所示。

圖1 倍壓器電路原理圖

通過原理圖可看出其工作原理,并根據(jù)相關(guān)知識得到其輸出電壓的計算公式。首先,不考慮倍壓器內(nèi)部壓降的情況下,這種倍壓器的輸出電壓的計算公式為

(1)

進(jìn)一步可得到輸出電壓的紋波系數(shù)為

(2)

式(1)給出的電壓數(shù)值是不考慮內(nèi)部壓降的理想情況下的電源電壓輸出值,但考慮到電源在在實際應(yīng)用中,由于倍壓器內(nèi)部器件的內(nèi)阻影響,電源的輸出電壓會有一定的壓降下降,其降幅的計算公式為

(3)

2 仿真測試

仿真測試擬采用MatlabSimulink軟件對30kV、5mA高頻高壓直流開關(guān)電源進(jìn)行仿真,從而探究倍壓電路參數(shù)對電源相關(guān)性能的影響。

2.1 倍壓級數(shù)對電源性能的影響

在電源其他參數(shù)不變、倍壓器的電容容值為2 000pF的條件下,對倍壓級數(shù)進(jìn)行調(diào)整,通過電壓波形特征來對電源性能的影響進(jìn)行研究。仿真測試過程中倍壓級數(shù)分別調(diào)整為2級和4級。輸出電壓的仿真波形,如圖2所示。

圖2 輸出電壓仿真波形圖

由圖中的輸出電壓波形可看出,倍壓器級數(shù)的增加能夠有效提高輸出電壓的值,但電源達(dá)到穩(wěn)定輸出的反應(yīng)時間有一定的延長。此外,倍壓器級數(shù)的增加,還會造成輸出電壓波動值的增大,如圖3所示,這一仿真結(jié)果也驗證了式(2)的正確性。

圖3 輸出電壓仿真波形圖

2.2 倍壓器電容容值對電源性能的影響

為研究倍壓器電容容值對電源性能的影響,在仿真實驗過程中將電源電壓保持在30 kV、固定頻率和2級倍壓條件下,以2 000 pF和4 000 pF等兩種不同電容值進(jìn)行仿真實驗。電源輸出電壓的仿真波形如圖4所示。

圖4 不同電容容值輸出電壓仿真波形圖

由圖4的波形可看出,電容值的增大可以延長電源達(dá)到穩(wěn)定工作的時間。此外,通過對這一過程中輸出電壓波形分析還可看出,隨著電容值的增加,輸出電壓的波動范圍減小,此次仿真測試中容值為2 000 pF時輸出電壓的波動范圍為2 V,當(dāng)容值增加到4 000 pF時,輸出電壓的波動范減小到了0.8 V。因此,增加電容值可有效降低降低電源的紋波,提高電源的穩(wěn)定性。

3 實驗驗證

為進(jìn)一步驗證被壓器的參數(shù)對于電源性能的影響,在Matlab仿真測試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實驗驗證,以對仿真測試中的結(jié)論進(jìn)行實際驗證,實際測試的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實證實驗對比測試數(shù)據(jù)

圖5 “Pout-電源效應(yīng)”曲線

圖6 Uin-Uout狀態(tài)曲線

3.1 倍壓級數(shù)對電源性能影響

由實驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)曲線可以看出,在電源其他參數(shù)相同的條件下,增加倍壓級數(shù)可提高電源的轉(zhuǎn)換效率,但同時電源的供電電壓以及紋波值也會相應(yīng)增加。

此外,倍壓級數(shù)的增加也意味著電源體積的增大,因而在實際應(yīng)用中倍壓級數(shù)進(jìn)行選擇原則是:在滿足電源性能要求的前提下,盡量減少倍壓器級數(shù)。這種處理不僅符合電源小型化的發(fā)展方向,同時還可提高電源的穩(wěn)定性。

3.2 倍壓器電容容值對電源性能影響

從實驗數(shù)據(jù)及圖5可看出,在電源其它參數(shù)相同的條件下,當(dāng)電容值由2 000 pF增加到4 000 pF時,雖然在輸出功率較小的情況下存在效率偏低的問題,但隨著輸出功率的持續(xù)增加,當(dāng)達(dá)到額定的30 kV輸出時,采用容值為4 000 pF的電源轉(zhuǎn)換效率約為90 %,明顯高于容值為2 000 pF的情況。此外,隨著倍壓器電容值的增大,達(dá)到預(yù)定輸出電壓所需要的供電電壓也越大。

4 結(jié)束語

倍壓器是高頻高壓電源的重要組成部分,因此倍壓器的設(shè)計對于電源的性能會產(chǎn)生重要影響。本研究通過軟件仿真模擬及實驗測試的方法,以30 kV、5 mA的電源為例,對倍壓器參數(shù)對電源性能的影響進(jìn)行了研究,并得到如下結(jié)論:首先在滿足電源輸出性能的前提下,應(yīng)該盡量減小倍壓級數(shù),以減小電源的體積、提高穩(wěn)定性;其次應(yīng)適當(dāng)增加倍壓器電容容值,以提高電源的效率。

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Design of a High Frequency High Voltage Power Supply Voltage Doubler

SUN Jun

(Fourth Research Division,723 Fourth Research Institute of Yangzhou,China Shipbuilding Industry,Yangzhou 225001,China)

As an important part of high voltage power supply,the voltage doubler plays a special role in improving the performance of the power supply.The influence of pressure device related parameters on the performance of the power supply is discussed.Using the method of theoretical analysis,a half arm type voltage doubler is designed and tested.The simulation and test results show that the voltage doubler parameter optimization has a significant influence on the performance of the power supply and thus the design of the voltage doubler is optimized.

doubler;high voltage power supply;simulation

2014- 09- 24

孫俊(1979—),男,工程師。研究方向:高壓電源。E-mail:924361963@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.039

TM243

A

1007-7820(2015)04-146-03