一种开关型高压直流电源的设计

MECHANICAL & ELECTRICAL

ENGINEERING MAGAZINE

1999年　第16卷　第1期　Vol.16　No.1

　1999

一种开关型高压直流电源的设计

王寅平

【摘要】提出一种脉宽调压式功率管-LC高压直流电源的电路设计。由脉宽调制\电路输出方波脉冲驱动开关功率管-LC电路,使其产生高频功率振荡;通过调谐脉冲宽度控制输出高压;设计同步脉冲反馈电路,迫使驱动电路的脉冲频率与LC谐振同步,从而提高输出效率和脉宽调谐能力,实现大功率输出。

　　关键词：高压直流；PWM； 同步脉冲

A Design of High Voltage DC Power Source with High Frequency

Rectification

Wang Yinping

Abstract：The thesis put forwards a design of electric circuits which can get high-power output of high voltage DC. The circuits include pulse width modulation(PWM)circuit，synchronization circuit，LC circuit and power switch transistors etc. The output of PWM pluses synchronized by feedback signals drive the transistors and LC circuit to get power pluses output.

Key words：High voltage DC; PWM; Synchronization pluses

1　前言

　　高压直流电源根据其电流变换方式通常可分为AC/DC和DC/DC 变换两种类型[1]。AC/DC变换是直接通过电源变压器将工频交流电升压,经高压硅堆整流后产生高压直流输出,采用可控硅控制和调压,通过对可控硅的移相触发控制,改变输入端的交流电压,从而实现对输出电压的控制。这类高压电源输出功率大,主要应用于工业方面。DC/DC变换的高压电源,即功率管-LC振荡式高压电源,其基本原理是建立在开关器件对输入直流进行斩波的基础上。用脉冲变压器和高压整流器件将LC电路产生的高频脉冲升压整流成高压直流。此类电源因其体积小,获得静电高压容易而应用于一些方面,但又因其输出功率小,效率低,稳定性不好等原因限制了它的使用范围。

　　功率管-LC振荡式高压直流电源，通常由两个部分组成:

　　一部分是功率电路,用于产生LC振荡和高压功率输出;

　　另一部分是驱动电路,它产生一定频率和脉宽的驱动脉冲,驱动功率管的导通和截止。

　　目前这类高压电源的主要问题在于:

(1)驱动脉冲与LC谐振不同步，使功率管的功率损耗增大;

(2)功率管工作于非开关状态，如工作于谐波状态而使功率管的功率损耗较大;

(3)采用谐波反馈驱动使输出的稳定性受谐波畸变的影响较大;

　　(4)调压方式是调谐电路的直流电压,而调压器件的额定功率限制了大功率输出的可能。

　　为解决这些问题本文提出相应的电路设计,其基本原理是:采用脉宽调制(PWM)方式控制高压直流输出;分别向功率电路与驱动电路提供电源,使功率电路的输入功率额度不受限制。为此本文中的驱动电路设计包括了实现相应功能的电路:振荡电路——它产生频率小于LC谐振频率的锯齿波,向功率电路提供驱动信号;同步脉冲电路——它通过比较功率管集电端的电压而产生同步脉冲信号,强迫振荡器与LC谐振同步;脉宽调制电路以及驱动功放电路——它将锯齿波转换成方波脉冲输出并可调谐脉冲宽度以驱动功率电路中功率管的饱和导通和截止，调控饱和导通时间。

2　驱动电路

　　驱动电路由振荡器、同步脉冲电路、PWM 电路和脉冲功放电路等功能模块组成,电路基本原理，如图1所示，IC1～IC3是3个电压比较器,输出端为集电极开路。IC2、D2、C2以及R21～R25等构成锯齿波振荡电路。E1是用小功率电源变压器、桥式整流器和整流电容等构成的低压直流电源的电压,但未经精确的集成稳压,因此可保证其与工频交流电网电压的幅值变化呈线性关系。以E1作为经R21和R22(R21>>R22)向C2充电电源,E1经集成稳压后E(E<E1)为驱动电路电源。充电时,当C2端电压uC大于R23和R24之间分压u2时,IC2输出低电平,C2通过R22,D2放电,电压uC下降。当uC下降到R23和R′24(R′24为R24与R25的并联值)之间的分压u′22时,IC2输出截止。E1经R21,R22再次向C2充电,如此反复,uC周期性变化,其周期为T。

t51-1.gif (4591 bytes)

图1　驱动电路简图

51-1.gif (898 bytes)51-2.gif (540

式中　

　　在E1与u′2相比较大的情况下,C2端的电压波动是较理想的锯齿波,T近似为

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(1)

IC3为PWM电路的核心元件,其‘+’端输入电压为u3,可调。当uC<u3时,IC3输出高电平,当uC>u3时,IC3输出低电平,锯齿波的输入使IC3输出方波脉冲,通过调u3可线性调谐脉冲宽度t0,

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(2)

IC1、D1、C1、BG1、BG2以及R11～R16等组成同步脉冲电路。D1是耐压快恢复二极管,它的P极与功率电路中功率管的集电端连接。当功率管截止,在LC电路振荡的第一波的正脉冲过后,功率管的集电端电压UX降到小于IC1负输入端基准电压u11时,IC1输出低电平,经R12,C1微分产生一尖脉冲,经BG1放大后触发BG2饱和导通,使C2迅速放电。由于振荡器固有频率小于LC谐频,在同步脉冲电路工作时,C2不再经过R22、D2放电,而是通过BG2饱和导通放电,此时振荡器与LC谐振同步,IC3输出同步驱动脉冲。图2(a)为同步前uC的波形;图2(b)是UX的波形;图2(c)是同步后uC的波形。51-3.gif (698 bytes)

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图2　同步前后锯齿波形与LC电路X点的脉冲波形

2 功率电路

　　基本电路，如图3(a)。功率电路的电源为E0,可直接从工频交流电桥式整流获得。功率管BG的基极接驱动电路输出端,驱动电路输出正方波脉冲时,BG饱和导通,流过L的电流迅速增大,当其截止时,LC发生串联谐振,BG集电端X点对地产生较高电压脉冲,当该脉冲电压降回到零附近时,BG集电端通过二极管D1向同步脉冲电路反馈一负脉冲,促使驱动电路再次输出正方波脉冲,使BG再次饱和导通,如此脉冲变压器只将BG关断后LC串联谐振所产生的第一波的正脉冲升压输出。在BG导通的t0时间内,线圈L上产生磁化电流i0，BG截止后,LC电路在初始电流i0下对C充电,当C的电量达到最大值Q0时,UX也达到瞬时最大值U0,而此时L上的瞬时电流为零。脉冲变压器将U0升为高压V0。LC电路的角频为ω0=1/(LC)1/2。由于E1与E0呈线性关系,设E1=kE0(k<1),又设脉冲变压器原副线圈匝数比N1/N2。

t51-3.gif (3596 bytes)图3　(a)功率电路　　(b)等效电路

51-6.gif (1954 bytes)

(3)

电容C开始放电时,由于高压整流器件的单向导通性,使高压输出端带上负载RL,功率电路可等效为图3(b)。R′L是RL等效到变压器原边的负载,iC是电容端电流，iL是流过等效负载电阻电流,im是LC无功振荡电流。电容两端电压为UX点电压可近似为U。

51-7.gif (1455 bytes)由以上方程组得U的微分方程

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其特征根:51-9.gif (928 bytes)

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方程解52-2.gif (656 bytes) 令　　52-3.gif (971 bytes)

52-4.gif (444 (1)当时,52-5.gif (1165 bytes)

　　输出功率

52-6.gif (1465 bytes)

　　　　　(4)　　　　　　　　　　　　　52-7.gif (425

　　(2)当时,

　　LC电路发生过阻尼放电,功率管截止时,其集电端最小电压为E0,设IC1的‘-’端输入电压u1小于E0的取样电压,同步脉冲电路不再工作,功率电路以较低频率(振荡器的固有频率)受迫振荡,此时输入功率全部转换为有效输出。

52-8.gif (994 bytes)

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