一種小型化高壓小功率電源

摘要：論述了一種小型化的高壓電源，它一改傳統的高、低壓組合式為一體化式，從而使體積、重量都大大減小。同時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，給出實測和仿真波形。

關鍵詞：小型化；高壓變壓器；高壓電源；仿真

0??? 引言

??? 高壓電源已經被廣泛地應用?醫學、工業無損探傷、車站、海關檢驗等檢測設備中，也廣泛應用于諸如雷達發射機、電子航空圖顯示器等軍事領域。傳統的高壓電源體積大、笨重，嚴重影響了所配套設備的發展。目前的高壓電源多采用開關電源形式，大大降低了體積重量，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，它增加一個叫做圖像增強器的設備。這種設備采用電極對電子進行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

1??? 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，它將幾十伏的直流電源，通過功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變為高壓輸出；另一個應用實例是負離子發生器，常采用晶閘管調壓方式。以上兩種調壓方式都需要一臺單獨可調的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復雜程度。加之，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。

2??? 技術指標

??? 輸入電壓??? 220（1±10％）V，（50±0.5）Hz；或寬范圍輸入電壓180～250V。

??? 輸出電壓／電流

??????? 陽極（正）電壓/電流

??????? 標稱值????????????? ＋25kV/1mA，

??????? 電壓范圍??????????? ＋23kV～＋32kV；

??????? 標稱值????????????? ＋7.35kV/200μA，

??????? 電壓范圍??????????? ＋6.0kV～＋7.8kV；

??????? 標稱值????????????? ＋0.985kV/200μA；

??????? 電壓范圍??????????? ＋0.8kV～＋1.1kV；

????? 陰極（負）電壓/電流

??????? 標稱值????????????? －0.75kV/500μA；

??????? 電壓范圍??????????? －0.5kV～－1kV。

以上4路電壓連動輸出。

??????? 穩定度??????????? 1％。

??????? 工作溫度范圍??? 0℃～＋40℃。

??????? 存貯溫度范圍??? －40℃～＋55℃。

??????? 外形尺寸??????? 160mm×135mm×43mm。

??? 圖像增強器的電極在加工時不可避免存在有毛刺，在高電壓下尖端放電擊穿打火。要把毛刺燒掉，需要有較大的電流。這樣，一方面要求電源輸出功率設計得更要大些，另一方面應有完善的保護措施。

3??? 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。

圖1??? 系統框圖

??? 輸入的市電經凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上。控制電路由最常用SG3525芯片組成。控制電路通過高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產生激勵脈沖去驅動功率MOS場效應管，實現穩壓輸出。

4??? 技術難點及解決辦法

4.1??? 體積與絕緣

??? 這種電源是專為X射線增強器配套的，它被安裝在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，散熱等問題有直接關系。本電路將功率變換、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。

4.2??? 高頻高壓變壓器

??? 高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓（功率）變壓器中，可以不考慮波形的畸變和工作頻帶的問題，因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中，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。L₁為漏感，C_p和C_s分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L₁和次級分布電容構成了串聯諧振電路。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Cs構成并聯諧振電路，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的耐壓要求。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，則分布電容C_s=C（C為次級繞組固有電容，N₂為次級繞組匝數）。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，其繞制示意如圖4所示。

圖2??? 考慮分布電容的變壓器模型

圖3??? 分布電容折合到初級的等效電路

圖4??? 高壓變壓器繞制示意圖

??? 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。

4.3??? 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，經過分析試驗，設計了一個輸入電壓調節電路，如圖5所示。

圖5??? 輸入電壓調節電路

??? 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，這里只給出輸出主電路（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。

表1??? 輸入電壓變化對輸出電壓的影響

??? 由于上電時，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。這樣,還設計了輸出電壓預穩壓電路。因篇幅有限，實際電路從略。

5??? 開關電路的仿真實驗

??? 開關級電路原理圖如圖6所示。這里開關級的負載是高頻高壓變壓器，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。

圖6??? 開關電路電原理圖

??? 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10μA和重載1mA兩種情況進行仿真，結果見圖7(a)和圖8(a)。在以后進行的電路實驗中，實測的電流波形見圖7(b)和圖8(b)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。

（a）??? 仿真波形

（b）??? 實驗波形

圖7??? 輸出電流為10μA時的變壓器初級電流波形

（a）??? 仿真波形

（b）??? 實驗波形

圖8??? 輸出電流為1mA時的變壓器初級電流波形

6??? 結語

??? 經過小批量生產和幾年的裝機使用，證明該電源達到了設計要求，性能穩定、可靠，可以替代同種類產品（例如日本某公司生產的湯姆遜電源）。

??? 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。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。