高频高压电源中倍压器的设计

孙 俊

(中国船舶重工扬州723研究所 第4研究部,江苏 扬州 225001)

高频高压电源中倍压器的设计

孙 俊

(中国船舶重工扬州723研究所 第4研究部,江苏 扬州 225001)

倍压器作为高压电源的重要组成部分对于提高电源的性能具有特殊作用。分析了倍压器相关参数对电源性能的影响规律,用理论分析的方法设计了一种半臂式倍压器,并对其进行了实际测试。仿真与测试结果表明,倍压器参数优化对于电源性能具有显著影响,且实现了倍压器设计的优化。

倍压器;高压电源;仿真设计;实际测试

目前,高压直流电源已被广泛应用。以目前的技术要获取直流高压,一般通过将市网交流电进行功率变换,升压后再整流滤波输出。但是由于这种方法输出的电压波动性较大,因此只可用于对电压要求不高的用户,利用这种方式升压,不仅需要配备大体积的变压器和较大的寄生电容,同时由于相对较大的充放电电流对整个整流器件的耐压也有较高的要求,并且电源变化效率低,电源在工作过程中还会产生很大的噪声。随着电力基础理论的发展和制造技术的进步,特别是高频高压开关电源技术的广泛应用,倍压器逐步应用于高压电源的设计之中。并成为整个设计中提高输出电压的关键,因此要提高整个电源的性能,对倍压器进行合理设计和改进就具有重要的理论和现实价值。文中以30 kV、5 mA的高频高压直流开关电源的倍压器设计为例,对倍压器倍的参数和电源性能之间的关系以及相互影响进行研究,并进行实验验证。

1 倍压整流电路

半臂逆对称式倍压器是在微型高压电源的设计经常使用的一种简单、常用的倍压电路。其原理如图1所示。

图1 倍压器电路原理图

通过原理图可看出其工作原理,并根据相关知识得到其输出电压的计算公式。首先,不考虑倍压器内部压降的情况下,这种倍压器的输出电压的计算公式为

(1)

进一步可得到输出电压的纹波系数为

(2)

式(1)给出的电压数值是不考虑内部压降的理想情况下的电源电压输出值,但考虑到电源在在实际应用中,由于倍压器内部器件的内阻影响,电源的输出电压会有一定的压降下降,其降幅的计算公式为

(3)

2 仿真测试

仿真测试拟采用MatlabSimulink软件对30kV、5mA高频高压直流开关电源进行仿真,从而探究倍压电路参数对电源相关性能的影响。

2.1 倍压级数对电源性能的影响

在电源其他参数不变、倍压器的电容容值为2 000pF的条件下,对倍压级数进行调整,通过电压波形特征来对电源性能的影响进行研究。仿真测试过程中倍压级数分别调整为2级和4级。输出电压的仿真波形,如图2所示。

图2 输出电压仿真波形图

由图中的输出电压波形可看出,倍压器级数的增加能够有效提高输出电压的值,但电源达到稳定输出的反应时间有一定的延长。此外,倍压器级数的增加,还会造成输出电压波动值的增大,如图3所示,这一仿真结果也验证了式(2)的正确性。

图3 输出电压仿真波形图

2.2 倍压器电容容值对电源性能的影响

为研究倍压器电容容值对电源性能的影响,在仿真实验过程中将电源电压保持在30 kV、固定频率和2级倍压条件下,以2 000 pF和4 000 pF等两种不同电容值进行仿真实验。电源输出电压的仿真波形如图4所示。

图4 不同电容容值输出电压仿真波形图

由图4的波形可看出,电容值的增大可以延长电源达到稳定工作的时间。此外,通过对这一过程中输出电压波形分析还可看出,随着电容值的增加,输出电压的波动范围减小,此次仿真测试中容值为2 000 pF时输出电压的波动范围为2 V,当容值增加到4 000 pF时,输出电压的波动范减小到了0.8 V。因此,增加电容值可有效降低降低电源的纹波,提高电源的稳定性。

3 实验验证

为进一步验证被压器的参数对于电源性能的影响,在Matlab仿真测试的基础上进行了实验验证,以对仿真测试中的结论进行实际验证,实际测试的实验数据如表1所示。

表1 实证实验对比测试数据

图5 “Pout-电源效应”曲线

图6 Uin-Uout状态曲线

3.1 倍压级数对电源性能影响

由实验数据和状态曲线可以看出,在电源其他参数相同的条件下,增加倍压级数可提高电源的转换效率,但同时电源的供电电压以及纹波值也会相应增加。

此外,倍压级数的增加也意味着电源体积的增大,因而在实际应用中倍压级数进行选择原则是:在满足电源性能要求的前提下,尽量减少倍压器级数。这种处理不仅符合电源小型化的发展方向,同时还可提高电源的稳定性。

3.2 倍压器电容容值对电源性能影响

从实验数据及图5可看出,在电源其它参数相同的条件下,当电容值由2 000 pF增加到4 000 pF时,虽然在输出功率较小的情况下存在效率偏低的问题,但随着输出功率的持续增加,当达到额定的30 kV输出时,采用容值为4 000 pF的电源转换效率约为90 %,明显高于容值为2 000 pF的情况。此外,随着倍压器电容值的增大,达到预定输出电压所需要的供电电压也越大。

4 结束语

倍压器是高频高压电源的重要组成部分,因此倍压器的设计对于电源的性能会产生重要影响。本研究通过软件仿真模拟及实验测试的方法,以30 kV、5 mA的电源为例,对倍压器参数对电源性能的影响进行了研究,并得到如下结论:首先在满足电源输出性能的前提下,应该尽量减小倍压级数,以减小电源的体积、提高稳定性;其次应适当增加倍压器电容容值,以提高电源的效率。

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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

孙俊(1979—),男,工程师。研究方向:高压电源。E-mail:924361963@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.039

TM243

A

1007-7820(2015)04-146-03