一種小型化高壓小功率電源

摘    要：本文論述一種小型化的高壓電源，它一改傳統的同種類高、低壓組合式電源的一體化方式，體積、重量都大大減小。指出了開關電源技術在高壓小功率電源應用中存在的問題和解決辦法，在研制和實驗過程中應用了PSPICE仿真技術，給出了實測和仿真波形。
關鍵詞：小型化；高壓變壓器；高壓電源

引言
目前的高壓電源多采用開關電源形式，大大降低了體積和重量，增加了功率，提高了效率。特別是高壓小功率開關電源，幾乎都是開關電源結構。本文所討論的高壓小功率開關電源，是為x射線電視透視系統配套設計的。這種系統是對原始x射線設備的改進，它增加了一個叫作圖像增強器的設備。這種設備采用電極對電子加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。
方案選擇
小功率高壓電源最常用的例子是電視機的陽極高壓發生器。它將幾十伏的較低直流電壓，通過功率轉換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，成為高壓輸出。另一種常見方式是采用晶閘管。以上兩種方式都需要一臺單獨可調的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣加大了電源的體積和復雜程度。再之，由于電路結構形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調節很有限，需要大范圍調節時，只能通過改變供電電壓來實現。而x射線增強器的主路電壓調節范圍近10KV，上述電路形式很難滿足要求。本文采用的半橋諧振式開關電源成功地解決了以上問題。

系統框圖及工作原理
25KV小型化高壓電源的系統框圖如圖1所示。
輸入的市電經凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓并加到半橋電路的MOS管上?？刂齐娐酚勺畛Ｓ肧G3525芯片組成。控制回路通過高壓部件反饋繞組將輸出電壓的變化量取回，產生激勵脈沖去驅動功率MOS場效應管，實現穩壓目的。

技術難點及解決辦法
體積與絕緣
這種電源是專為x射線增強器配置的，它被裝在x射線增強器底座下一個狹小的空間，因而要求體積小。體積的減小與電路形式的選擇、電路的性能及絕緣、散熱問題有直接關系。本電路將功率轉換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置，并選擇高強度的絕緣介質填充高壓部分，很好地解決了這個問題。
高壓變壓器
高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在高壓變壓器中，由于匝數增多,特別是次級匝數增多,當變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時，必須考慮分布電容和漏感問題。這時，變壓器模型如圖2所示。L漏為漏感，C初、C次分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L漏和次級分布電容構成了串聯諧振回路。當變壓器次級開路或負載較輕時變壓器可看成電感，因而與次級分布電容C次構成并聯諧振回路，其等效電路如圖3所示。發生諧振時，電容兩端的電壓會高出工作電壓，也就是說變壓器內部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器耐壓的要求。因而在變壓器的繞制過程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設各層電容相等，繞組共有m層，則其中分布電容為。式中C為次級繞組固有電容，N次為級繞組匝數。當次級匝數一定時，次級等效到初級的分布電容與次級的層數有關，層數越多分布電容越小。每一層上的匝數越少。分布電容越小。為了減小分布電容，采取分段分組繞制方式。并增加層數，減小每層匝數。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制方法見圖4。
實踐證明，分段分組繞制法還較好地解決了高壓變壓器的絕緣問題。
輸入電壓范圍的調制
工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調節會出現困難。不但調整率很差，而且在輸入電壓超過一定值時，電源無輸出，或輸出電壓不穩定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時的導通脈寬很窄(呈窄脈沖工作狀態)。當輸入電壓升高時，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態，無法實現有效的閉環控制，導致整個電路關閉。為解決這個問題，本文經過分析試驗，設計了一個輸入電壓調節電路，如圖5所示。它實際上是一個輸入電壓預穩壓電路，輸入電壓經過它，成為基本穩定的電壓，再加到主電路(開關電路)上。
經過調試，試驗和長期裝機應用，證明了該電路的穩定與可靠。表1是設置輸入電壓調節電路與沒有設置時的實測數據。為簡化起見，這里只給出輸出主回路(25KV)參數。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調整率大大提高，輸入電壓調節范圍也增至250V。
上電時，輸入端瞬間沖擊電流很大，對輸入電壓調節電路造成危害。為此，還專門設計了輸入緩沖電路。
另外，高壓電源變壓器的變比n較大，變壓器次級反饋到初級變化率較小，帶來的問題是穩壓效果不理想。因此，本文還設計了輸出電壓預穩壓電路。因篇幅有限，實際電路從略。

開關電路的仿真實驗
開關級電路電原理如圖6所示。這里開關級的負載是開關變壓器，它的輸入特性與負載的特性有關。在高壓小功率應用中，由于輸出電流小，負載電阻大，次級整流二極管的導通角很小。為便于建立仿真模型。可忽略負載電阻的影響。
由于應用了仿真技術，大大簡化了實驗過程，降低了設計周期。用PSPICE仿真程序對圖6電路分為輕載和重載兩種情況進行仿真，結果見圖7和圖8。圖7是輸出電流為10mA時的變壓器初級電流波形。圖8是輸出電流為1mA時的變壓器初級電流波形。在以后進行的電路實驗中，實測的電流波形與仿真的波形基本相符。另外，從仿真波形還可看到輕載時的浪涌電流峰值較大，與重載時幾乎相等。變壓器空載損耗增加。導致變壓器發熱，這是需要進一步解決的問題。

結語
在x射線增強器生產工序中，需配置一臺大功率的高壓(輸出電壓高達30KV)電源，對半成品進行老化，打毛刺處理。由于本電源性能已滿足上述要求，可以用來替代這臺大功率電源。既節省了設備，又縮短了生產加工周期?！?/P>

參考文獻
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