基于ANSYS电子束焊接高压电源倍压整流电路仿真设计*

杨 波 ，张 伟 ，齐铂金 ，许海鹰

（1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191；2.中航工业北京航空制造工程研究所，北京 100024）

高压电源是电子束焊接设备的关键部件之一，其主要作用为将低压交流电升压并转换为高压直流电，给电子枪提供加速电压。高压电源的升压方式较多，常见的升压方式包括：单组变压器直接升压、多组变压器串联升压、单组变压器加倍压整流电路串联升压。

本文主要阐述高压电源采用单组变压器加倍压整流电路串联升压方式，相对于前两种升压方式，这种方式有效降低了高压变压器的设计难度，减小了输出直流高压纹波系数。但由于倍压整流电路充电过程复杂，许多文献对其介绍较为简单，使得电路设计存在困难[1-3]。主要表现为：

（1）采用常规倍压整流电路设计电路，具有元器件少、电路简单的优点，但是电路输出波形纹波系数较大，而采用全波倍压整流电路时输出波形较好，但电路复杂，因此在电路选择上显得困难。

（2）在实测倍压整流电路输出电压时，其测量值常高于理论值，这使得设计难度加大。

（3）电容参数设计是倍压整流电路设计的一大难点。由于高压电容耐压性的要求，电容值一般不易做得太大。电容参数值选取过大，一方面增加材料成本，同时也使电源体积变得更大，而选值过小又将影响输出电压的稳定性，甚至导致设备无法输出正常的工作电压。目前关于电容值计算的文献较少，且多数采用近似求法，一般所求结果误差较大[4-7]。

本文采用ANSYS软件，通过有限元分析方法，在不同电容值的条件下，对常规倍压整流电路以及全波倍压整流电路的输出波形进行仿真求解与对比，以获得合理的电路结构及合适的电容值，并进行输入波形振荡对倍压整流电路输出电压影响性的分析。

1 ANSYS仿真分析

1.1 仿真模型建立

高压电源的工作原理如图1所示。

图1 高压电源原理图Fig.1 Schematic diagram of high voltage power supply

从图1可知，倍压整流电路的输入电压接自高压变压器，变压器原边与全桥逆变电路相连，逆变电路输出波形如图2所示，输出波形为准方波，电压幅值±500V，频率20kHz；变压器变比为1∶16，输出电压为8kV，如图3所示。倍压整流电路的输出端接电子枪。该电源需满足技术参数为输出电压≥60kV，输出束流≥200mA。根据所述条件分别对全波倍压整流电路与常规倍压整流电路建立仿真模型。

1.1.1 全波倍压整流电路仿真模型建立

对全波倍压整流电路进行仿真分析，需建立相应的电路模型。所分析的电路为4级全波倍压整流电路，其输入端接两组相同的高压变压器，变压器原边采用并联的方式接输入电压，副边以串联的方式输出，变压器中心抽头接地。电路的输出端通过负载电阻接地，所分析的电压为负载的端电压Uo，其理论值应为-64kV。高压硅堆的正向导通压降约为50V，正向导通电阻为0.5Ω，反向截止电压为40kV；电容可视为理想电容，即不考虑电容自身的电阻值。电容的容值待定，为后面仿真的内容，耐压为40kV。为使仿真环境更接近实际工作状况，将电路输出端的负载等效为实际工作负载，其电阻值大小设为0.3MΩ.

根据上述条件，建立仿真电路模型[8-10]。变压器输入端所接准方波通过ANSYS自带电压源模拟。采用CIRCU124单元模拟输入端电压源与电容，将电压源的幅值设为±500V，上升时间与下降时间设为1μs, 脉宽设为0.023ms，周期设为0.05ms。采用CIRCU125单元模拟二极管，二极管的正向导通电阻设为0.5Ω，正向导通电压设为50V。采用CIRCU124单元模拟负载与变压器，负载阻值设为0.3MΩ，变压器变比为1∶16。

采用节点法建模：在活动坐标系上建立所需节点，并在各节点间绘制相应电路元器件，所绘制的仿真电路如图4所示[4]。变压器左侧接两组相同的电压源，节点3与节点23接地。

图2 变压器输入波形Fig.2 Input waveform of the transformer

图3 变压器输出波形Fig.3 Output waveform of the transformer

图4 全波倍压整流电路Fig.4 Full wave voltage doubler rectifier circuit

1.1.2 常规倍压整流电路仿真模型建立

对常规倍压整流电路建立仿真电路模型，其过程与全波倍压整流电路的建模方式基本一致，所建电路如图5所示。其中节点2与节点17接地。所分析的波形为节点9的电压波形。

图5 常规倍压整流电路Fig.5 Conventional voltage doubler rectifier circuit

1.2 求解与分析

1.2.1 电容值仿真求解

为获得合适的电容参数值，分别将电容值设为0.1μF、0.01μF、0.001μF，对两种电路进行求解。

由于输入的波形为准方波，将求解方式设为暂态。求解时间设为4.5ms，每一步的最小求解时间为1.6μs，最大时间设为6.4μs，收敛误差为0.05V。最后求得两种电路的输出波形如图6～7所示。

分析图6可以得出，随着电容值的减小，全波倍压整流电路输出波形的纹波系数逐渐加大，当电容值为0.1μF时，输出波形最为平缓，输出电压稳定于-64kV，而当容值为0.001μF时，输出电压值变为-56kV，不再满足设计要求。对全波倍压整流电路而言，可将电容值选为0.01μF，既保证了电路输出波形的合理性，又使得电容值不会过大。

分析图7同样可得其输出波形纹波系数随着电容值的减小而增大。对于常规倍压整流电路，将电容值选为0.1μF时，输出电压最后稳定于-62kV，若再减小容值，其输出电压将变得更低，在电容值为0.001μF时，输出波形发生严重畸变。

因此，通过分析图6～7可得全波倍压整流电路的合理电容值为0.01μF，而常规倍压整流电路的合理电容值为0.1μF甚至更大。

1.2.2 波形对比与电路选取

将波形对比的目的是为分析两种电路的优缺点，从而获得最佳电路方案。从图6～7中可以看出，为满足正常工作条件（即输出电压达到-64kV），全波倍压整流电路所选用的电容值比常规倍压整流电路小。而在选择电容值相同的前提下，与常规倍压整流电路相比，全波倍压整流电路的输出波形较为平缓，纹波系数小。以图6（b）为例，其输出电压从0开始并快速增加，到1ms左右时达到稳定，稳定电压约为-63kV，而图7（b）输出波形振荡较为明显，纹波系数较大，输出电压在4.5ms左右时达到稳定，稳定电压约为-55kV。

从两种形式的倍压整流电路仿真结果分析，全波倍压整流电路虽然采用对称式结构，所需要的元器件较多，但其纹波系数小，输出波形更稳定，且对电容要求低的优点使其更优于常规倍压整流电路。

1.3 输入波形振荡分析

图6 不同电容值下的全波倍压整流电路输出波形Fig.6 Output waveform of full wave voltage doubler rectifier circuit with different capacitance values

根据图6（b）仿真结果可知，当变压器为理想变压器（即变压器输出波形为无振荡方波）时，4倍压整流电路输出的电压值约为输入电压的8倍，但在实际电路中，倍压整流电路的输出值常高于理论值。为了验证变压器寄生参数引起的输出波形振荡是否会使倍压整流电路输出电压偏离理论值，本文通过ANSYS 对全波倍压整流电路进行进一步仿真分析。在该电路基础上，通过在电压源与变压器之间增加电容与电感的方式来模拟寄生参数引起的波形振荡。当电感设定为0.1μH，电容设定为1μF时，变压器的输出波形如图8所示。

将图8所示波形接入所分析的电路，并将求解方式设为暂态。求解时间设为4.5ms，每一步的最小求解时间为1.6μs，最大时间设为6.4μs，收敛误差为0.05V。可得到输出波形如图9所示。

从图9中可以看出，当输入波形有部分振荡时，全波倍压整流电路的输出值电压略微增大，其输出电压值从-63kV增加到-66kV。可见变压器寄生参数引起的波形失真是倍压整流电路实际输出值偏离理论值的一个重要因素。

图7 不同电容值下常规倍压整流电路输出波形Fig.7 Output waveforms of conventional voltage doubler rectifier circuit with different capacitance values

图8 变压器振荡波形Fig.8 Transformer oscillation waveform

图9 带振荡输入时倍压整流电路输出波形Fig.9 Output waveform of voltage doubler rectifier circuit with the oscillation input waveform

2 倍压整流电路设计与测试

根据仿真结果进行倍压整流电路设计，选择全波倍压整流电路作为高压电源的电路结构，选用的高压硅堆最大正向导通电流为1.5A，反向截止电压为40kV；选用的高压电容耐压为40kV，容量为0.01μF，电路如图10所示。其中电容C01，C02的作用为滤除尖刺，所设计的电路实物图如图11所示。

对该全波倍压整流电路进行性能测试，测试条件为：测试电路浸于变压器油中，其输入信号接自逆变电源，输出端接电子枪。电压采样信号通过高压衰减电阻等比衰减后由精密采样电阻获取，当采样电阻为-9V时，对应高压输出为-60kV。通过示波器测量逆变电源输出电压波形与采样电阻端电压波形，当输入电压为±500V交流方波时，测得波形如图12所示。

通道1为逆变电源输出波形，通道2为采样电阻电压，其值为-12.2V。根据上述比例关系可计算出高压为-81.33kV，可见所设计的电路满足要求。

图10 全波倍压整流电路Fig.10 Full wave voltage doubler rectifier circuit

图11 全波倍压整流电路实物图Fig.11 Picture of full wave voltage doubler rectifier circuit

图12 倍压整流电路测试波形Fig.12 Voltage doubler rectifier circuit test waveform

3 结论

（1）使用ANSYS 仿真软件对全波倍压整流电路与常规倍压整流电路进行仿真分析，仿真结果表明全波倍压整流电路较常规倍压整流电路虽采用更多数量的元器件，但其对电容值要求更低，且输出波形的纹波系数更小的特性使其优于常规倍压整流电路。

（2）采用ANSYS对输入波形存在振荡的情况进行分析， 结果表明当输入波形发生振荡时，输出电压会偏离理论值。

（3）根据仿真结果设计出4倍压全波倍压整流电路，并在输入电压为±500V的前提下测试电路输出结果，测试结果表明所设计的电路最大输出电压达-81.33kV，可以满足生产需求。

[1]林志琦,郎永辉,王岩,等.倍压整流电路电容参数的优化设计[J].长春工业大学学报,2009,30(5): 551-555.

LIN Zhiqi, LANG Yonghui, WANG Yan, et al.Optimization design of capacitance parameters of double voltage rectifier circuit [J].Journal of Changchun University of Technology, 2009, 30(5):551-555.

[2]陈翔,王丛岭,杨平,等.倍压整流电路参数分析与设计[J].科学技术与工程, 2012, 12(29):7732-7735.

CHEN Xiang, WANG Congling, YANG Ping, et al.Analysis and design of the parameters of the double voltage rectifier circuit[J].Science Technology and Engineering, 2012, 12(29):7732-7735.

[3]UEDA T, OHJI T, AMEI K, et al.A high-power-factor singlephase voltage-doubler rectifier circuit using parallel charge-pump[J].IEEJ Transactions on Industry Application, 2008, 128(2):151-152.

[4]李蜀川,杨忠孝,成友才.倍压整流电路的计算[J].川北教育学院学报, 2002,12(1):51-54.

LI Shuchuan, YANG Zhongxiao, CHENG Youcai.The voltage doubler rectifier circuit calculation[J].Journal of Northern Sichuan Education College, 2002,12(1): 51-54.

[5]柳纪虎,刘昶丁,刘永生.多级倍压整流电路的设计原理及其有关参数的计算方法[J].半导体技术, 1992(4):46-48.

LIU Jihu, LIU Changding, LIU Yongsheng.Design principles and related parameters calculation method of the multistage voltage rectification circuit[J].Semiconductor Technology, 1992(4):46-48.

[6]MOZAR S.Voltage doubler protection circuit results in large cost savings[J].Consumer Electronics IEEE Transactions on Industry application,1998, 44(2):256-260.

[7]HUANG W C，LIOU P C，LIN K Y，et al.A charge pump circuit by using voltage-doubler as clock scheme[J].International Journal of Design Analysis & Tools for Integrated Circuits & Systems, 2011,1(1):112-116.

[8]张红松,胡仁喜,康士廷.ANSYS14.0 电磁学有限元分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社, 2013.

ZHANG Hongsong, HU Renxi, KANG Shiting.ANSYS14.0 electromagnetic finite element analysis from entry to master[M].Beijing:China Machine Press, 2013.

[9]谢龙汉.ANSYS电磁学分析 [M].北京:电子工业出版社,2012.

XIE Longhan.ANSYS electromagnetic analysis[M].Beijing: Electronic Industry Press, 2012.

[10]孙淑惠.倍压整流电路原理仿真及应用[J].机床电器,2009, 36(2):8-10.

SUN Shuhui.The principle simulation and application of double voltage rectifier circuit[J].Machine Tool and Electrical Appliance, 2009,36(2):8-10.