高频高压电源中倍压器的设计

刘宏军，邓玉福，牛淑芳，詹 征，周 波，张志美

（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳 110034）

高频高压电源中倍压器的设计

刘宏军，邓玉福，牛淑芳，詹 征，周 波，张志美

（沈阳师范大学物理科学与技术学院，沈阳 110034）

倍压器是高压电源的一个重要组成部件。通过MATLAB仿真及实验测试，研究了半臂逆对称式倍压器倍压级数、电容容量对高压电源性能的影响规律。接着在仿真研究的基础上进行实际测试，并对30k V、5m A的高压电源的性能进行了优化。在以可控硅（SCR）为功率转换电路的30k V、5m A的电源设计中，研究结果表明在一定的工作频率条件下，倍压器参数的优化对提高电源的效率、降低输出电压的纹波值、增强电源的稳定性具有显著的影响，为高频高压电源的设计提供了理论指导意义。

倍压器；高压电源；MATLAB Simulink

0 引 言

高压直流电源作为一种配套设备已广泛应用于射线检测分析设备、电子束焊机、静电除尘、医疗诊断等各个行业［1］。为了获得所需要的直流高压，一般需要将市网电进行功率变换，通过升压变压器升压后整流滤波输出。但是这种方法只是适用于电压要求不是很高的场合，因为采用这种方式获得高压，不仅需要更大体积的变压器，而且还会增大变压器绕组的寄生电容，导致变压器在工作时产生很大的充放电电流和噪声，电源变化效率低，对整流器件的耐压参数要求也高，严重时可能无法工作［2］。随着电力技术的发展，尤其是高频高压开关电源技术的应用，倍压器被更多应用于高电压电源电路设计中［3］。

图1给出的是高频高压直流开关电源的结构框图。其中CSR逆变电路是将直流电转变成交流电，高频变压器是将逆变电路输出的电压进行一次升压，再经过倍压整流最终输出直流高压。

图1 高压电源结构框图

倍压器作为提高输出电压的关键，合理的对其进行设计就尤为重要。本文将以30k V、5m A高频高压直流开关电源的设计为例，研究倍加器倍压级数、电容容量对电源性能的影响。

1 倍压整流电路

半臂逆对称式倍压器作为一种最基本的倍压电路，在微型高压电源［4］的设计中常常被使用。图2给出的是一级半臂逆对称倍压电路的原理图。

根据半臂逆对称倍压电路的工作原理可知：在不考虑倍压器各器件内部压降的条件下，半臂逆对称式倍压器输出电压Uout的值为［5］：

输出电压的纹波系数［6］为S：

图2 半臂逆对称倍压器

在式（1）、式（2）中，C表示倍压器电容容值，f为工作频率，R为负载电阻，N为变压器次级线圈匝数与初级线圈匝数比（N1：N2），n为倍压器的倍压级数。

其中式（1）给出的是在理想情况下电源的输出值，但由于在实际应用中，倍压器内部的器件会存在一定的内阻，从而导致输出电压有一定的下降，其下降幅度［7］为：

2 仿真测试

通过采用MATLAB Simulink软件对30k V、5m A高频高压直流开关电源进行仿真，从而探究倍压电路中电容容值、倍压级数对电源性能的影响。

2.1 倍压级数对电源性能的影响

在电源工作频率、电容容值一定的情况下，改变倍压器的倍压级数，通过观察输出示波器中的电压波形来探究倍压级数对电源性能的影响。在图3中给出了倍压电容容值为2000p F，倍压级数分别为2级和4级的情况下输出电压的仿真波形图。

图3 不同倍压级数下电源输出电压仿真波形图

由图3可以看出，增加倍压器的级数后可以提高输出电压的值，但延长了电源达到稳定输出的时间。另外，由图4还可以看出，增加倍压器的级数后还会增大输出电压的波动值［8］，这点与理论计算式（2）的结果是一致的。

图4 不同倍压级数下输出电压稳定时的波动图

2.2 倍压器电容容值对电源性能的影响

图5给出的是频率一定，2级倍压电路下，且输出电压为30k V左右时，不同电容容值（2000p F、4000p F）的输出电压仿真波形图。

图5 二级倍加时不同电容容值的仿真波形图

由图5可以看出，增大电容容值后，会延长电源达到稳定工作的时间。另外，对达到稳定工作状态的输出电压波形进行观察还可以发现，采用2000p F时输出电压的波动范围为2V，而采用4000p F时，电压的波动范围仅为0.8V，这说明增大电容容值还有利于降低电源的纹波，提高了电源的稳定性。

3 实验验证

在MATLAB仿真测试基础上进行实验验证，进一步探究实际应用中，倍压级数、电容容量对电源性能的影响。在表1中给出了30k V、5m A时不同倍压级数、倍压器电容的实验数据。

表130 kV、5mA输出时的对比测试数据

通过对表1的3组实验采用逐点升压的方式对其进行记录，并绘制成如图6和图7所示的状态曲线。

图6 “Pout－电源效率”状态曲线

图7 “Uin－Uout”状态曲线

3.1 倍压级数对电源性能影响

由表1及图6和图7可以看出，在相同条件下，增加倍压级数后，提高了电源的转换效率，但同时也增加了电源的供电电压［9］以及纹波值。另外，增加倍压级数的同时也扩大了电源的体积，因而在对倍压级数进行选择时，应该在满足电源输出的情况下，选择级数尽可能少的倍压器，这样不仅有利于电源的小型化设计，且对于提高电源的稳定性也有很大的好处。

3.2 倍压器电容容值对电源性能影响

由表1及图6可以看出，在相同条件下，当倍压器电容容值由2000p F增加到4000p F时，尽管功率转换的初期（≤10W）效率偏低，但是随着输出功率的增加，在实现30k V输出时，4000p F电源的转换效率达到了将近90%，明显大于2000p F。另外，由图8“Uin－Uout”的关系曲线还可以看出：电容越大，达到目标电压输出时需要的供电电压越大。

4 结 论

通过采用MATLAB Simulink软件及实验测试对30k V、5m A电源进行优化设计时发现：1）在满足电源输出的情况下，适当的减小倍压级数，有利于缩小电源的体积、提高电源的稳定性；2）适当增加倍压器电容容值，可以降低电源纹波、提高电源的效率。

［1］叶汉民.电子束焊机用高压电源的应用及发展趋势［J］.电源技术应用，2001（10）：39-42.

［2］郑宝华，程德福，修连存.X射线衍射仪3k W高频高压电源设计［J］.电源技术与应用，2008（10）：71-77.

［3］李鑫.电子直线加速器的高压直流电源研制［D］.武汉：华中科技大学，2009.

［4］银志军，赵扬，孙大维等.倍压整流电路的仿真与分析［J］.光电技术应用，2006，21（5）：71-75.

［5］马跃.150k V小型变频高压电源设计［D］.沈阳：沈阳师范大学，2011：15-17.

［6］魏宝杰，李文杰，张欣荣.MZ-9型通用高压组合电源倍压电路设计［J］.吉林电子技术，1988（1）：39-43.

［7］MA Yue，DENG Yufu，ZHANG Shuzhi.A compact high voltage switch-mode power supply For XRF［C］∥Power and Energy Engineering Conference，2010.

［8］贾振宁.X光机电源设计与研究［D］.北京：北京交通大学，2009：12-13.

［9］肖如泉，王琰，曾嵘，等.60k V开关型直流高压电源［J］.电源技术与管理，1999，16（3）：38-41.

Design of voltage multipliers for high-voltage power supply

LIU Hongjun，DENG Yufu，NIU Shufang，ZH AN Zheng，ZHOU Bo，ZHANG Zhimei
（College of Physics Science and Technology，Shenyang Normal University，Shenyang 110034，China）

The voltage multiplier is an important component of high voltage power supply.In this paper it conducts the simulation tests in MATLAB environment and experimental tests to study the regularity of how the variety of stage number of semi－arm inverse symmetrical voltage multiplier and capacity can affect the performance of high voltage power supply.The experimental tests are carried out based on the simulation studies，and the performances of 30k V，5m A high voltage power supply are also optimized.For the design of 30k V，5m A power supply silicon controlled rectifier（SCR）is used in the power conversion circuit.The results of the study show that in certain frequency condition optimizing the parameter of voltage multiplier has significant effect on improving the efficiency of power supply，reducing the ripple factor of output voltage and enhancing the stability of power supply，which provides the theoretical guidance for the design of high frequency and voltage power supply.

voltage multiplier；high voltage power supply；MATLAB Simulink

TM423

A

10.3969／j.issn.1673-5862.2013.03.015

1673-5862（2013）03-0376-04

2013-04-26。

辽宁省科技厅科学技术计划项目（20092069）；2011年沈阳师范大学重大原创性科学研究项目。

刘宏军（1987-），男，辽宁葫芦岛人，沈阳师范大学硕士研究生；邓玉福（1966-），男，辽宁东港人，沈阳师范大学教授，博士，硕士研究生导师。