高稳定度高压电源的研究与系统特性分析

杨娅姣， 董全林，党玉杰， 牟洪山(.北京航空航天大学教育部微纳测控与低维物理重点实验室，北京009；.北京有色金属研究总院，北京009)

高稳定度高压电源的研究与系统特性分析

杨娅姣1， 董全林1，党玉杰1， 牟洪山2
(1.北京航空航天大学教育部微纳测控与低维物理重点实验室，北京100191；2.北京有色金属研究总院，北京100191)

为提高200 kV级透射电子显微镜的性能，满足其分辨率优于0.25 nm的性能指标，要求配备最高输出电压为200 kV、稳定度优于2×10－6/min的高稳定度高压电源。通过研究影响高压电源稳定度的直接因素，为高稳定度高压电源的研制提供了理论参考依据。分析了该款高压电源主电路原理和设计要点。建立了电源闭环稳压系统的数学模型，分析了系统频率特性，系统的良好增益裕度为电源的正常运行提供了保障。结合研制经验提出了改善高压电源整机性能的措施。

高压电源；高稳定度；影响因素；稳压模型；频率特性

高压电源是现代电力电子技术的重要研究内容之一，由初期工频经历中频变压机组，发展到目前25 kHz左右的全控型器件逆变供电，体积和质量大幅降低，整机性能不断提高，被广泛应用于电子显微镜[1-2]、离子注入机[3]、电子束焊机[4]等静电装置中，如在电子显微镜领域，高压电源为电子源发射的电子束提供加速电压，决定电子速度的大小。由于电镜中电磁透镜只能对单一速度的电子理想聚焦、成像，要求输出高压具有较高的稳定度，辅助透镜电子源产生优质的单一波长电子束[2]，开展高稳定度高压电源的研究，对促进国内带电粒子装备的发展具有重要意义。

高稳定度高压电源一般指稳定度优于10－4，其对电路结

本文研究了一款闭环负反馈高压电源，采用逆变技术结合线性稳压原理实现了高压、高稳定度输出。基于主电路原理，进一步分析了闭环稳压系统的频率特性，研究结果和应用设备的高性能运行表明这款高稳定度高压电源满足高稳定度、性能良好、安全可靠的技术要求。

1 高压电源稳定度影响因素分析

高压电源输出稳定度SV指负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定范围内变化所引起的输出电压最大相对变化量[9]，即：

该款高压电源由前置稳压电路、时钟与脉冲分配电路、功率调整电路、基准电压源、主放大器、变压器、平衡式倍压整流电路、高压纹波滤除电路和高压取样电路等部分组成。其主电路采用大闭环负反馈线性稳压电路，原理如图1所示：电网电压通过前置稳压电路降低电网波动对电源系统的影响，为高压电源各部分电路提供直流电压，其各支路输出电压稳定度可达10－5。交流逆变发生采用独立时钟与脉冲分配电路，隔离工作频率与供电电压和负载大小之间的关系。逆变后电压经变压器变压、倍压整流和滤波后输出直流高压。当高压输出电压Uo发生波动时，取样电路中电流随之发生变化，引起基准电阻上电压的波动，其波动反馈至主放大器输入端，进行误差比较、差动放大后，推动功率变换电路，从而调节输出电压产生反向变化，实现高压电源的输出稳定。结合图1所示，该款高压电源采用调节基准电压源Us控制高压输出Uo大小的方式，在系统的放大倍数足够大且误差放大器输入阻抗足够高的条件下，基准电压与输出高压的关系有：

式中：Rs为高压电源的基准电阻；R为高压取样电路的取样电阻。

图1　高稳定度高压电源主电路结构简图

对式(2)进行变换，得：

对Uo取全微分，得：

对式(4)归一化，得：

将式(2)关系代入式(5)，得：

式(6)表明，对于这款高稳定度高压电源，基准电源、基准电阻和取样电阻的稳定性是影响高压电源输出稳定度的直接因素，其中基准电压源的稳定度设计至少优于高压电源一个数量级。

2 各模块电路组成及原理

2.1基准电压源

基于上述对高压电源稳定度影响因素的理论分析结果，除选用精度高的基准电阻和取样电阻之外，对基准电压源的研究采用二级电压放大的方式，结合A/D转换技术产生基准电压源的输出电压，其结构框图如图2所示。

图2　基准电压源原理框图

设计中高精度电压基准采用Toshiba公司的1SZ53，其温度补偿特性好，|gz|=0.002％/℃，齐纳阻抗小、可靠性高，可满足基准电压源设计的性能需求。第一级通过采用低电压放大，对高精度电压基准进行电气隔离，避免不同大小的高压输出时对1SZ53工作状态的影响，同时降低第二级放大部分带来低频噪声和漂移干扰。AD调节部分由12位精度的高性能集成芯片AD7541和电流-电压转换电路组成，其输出电压经第二级反馈放大后输出0～70 V的基准电压。在基准电压源设计中应用AD转换技术即实现了高低压隔离，保证了控制精度，又便于人机操作界面数字化控制高压输出，提高了电源系统的可靠性、安全性和易操作性。

2.2主放大器

主放大器设计包括误差放大IC1和差分放大TR1-TR2两部分，如图3所示。

图3　主放大器原理

误差放大的主要作用为检测高压波动和提供系统相位补偿。为降低流经取样电路的非负载电流，要求误差放大器具有输入阻抗高、输入失调电流小、输入电压噪声低等特点。设计中IC1选用集成JFET输入和标准双极性晶体管技术的LF356H，具有较高的增益-带宽积、高共模抑制比、低噪声和低漂移等优点，有利于提高稳压系统的动态特性。

差分放大部分将误差信号进一步放大，具体指IC1输出端至TR2集电极输出端。差分放大部分要求晶体管特性匹配，电路可通过设置R7-R9改善电路温度特性，抑制零点漂移。在实际电路中，考虑到高压放电、漏电等情况的发生，主放大器中设计了过压熔断和输入、输出保护等电路结构。

2.3功率变换电路

功率变换电路由大功率晶体管TR3-TR4组成的复合调整管和晶体管TR5-TR7并联扩流电路构成，如图4所示。

图4　功率调整电路原理

为保持工作电流分配均匀，TR5-TR7的发射极串接R14-R15，实现均流放大的自反馈调节。

功率调整电路是电源系统的重要组成部分，其工作性能的稳定直接影响整个系统的可靠运行。实际电路中将发热量大的并联扩流电路与复合调整管隔离，置于主插线板上，并配有面积较大的散热器。

2.4高压发生电路

高压发生部分采用变压器升压与倍压电路倍压相结合的方式，变压器初级线圈并联、次级线圈串联接入平衡式倍压整流电路，如图5所示。

图5　高压发生电路原理

与基本C-W电路比较，平衡式倍压整流电路输出纹波小、电压稳定度高；与对称式C-W电路比较，减少了近1/3的高压元器件，降低了倍压整流电路的热噪声，大大减小了高压发生器的体积和质量。

2.5高压纹波滤除和波动取样电路

高压纹波滤除电路和高压波动取样电路如图6所示。

为使各个电容器承受相同的电压，在滤波电容器上分别并联大电阻R20-R31，实际电路中，同时设计了二极管导通回路，当高压超出正常范围时，起到导通保护的作用。

图6　高压纹波滤除和取样电路原理

结合高压箱内空间结构的设计，高压波动取样电路采用12级分压电路相串联的方式，R32-R79中每4个取样电阻构成一级分压，形成高压箱内水平方向的等电位面，保证各分压电阻附近电场的均匀分布，降低噪声和过电压的影响，有效防止放电现象的发生。通过与电阻并联的C40-C87减小分布电容对高压箱内垂直方向上各级电压均匀分布的影响，同时调整系统的频率特性。

3 系统数学模型的建立与特性分析

受环境变化、元器件老化和电网波动等因素影响，稳压系统的输入和输出不可避免地存在不确定性干扰和随机噪声。对于这款高增益电源电路，通过建立其稳压系统的数学模型，进一步分析其系统的稳定性及动态特性。

设G1(s)表示IC1同相输入端至输出端的传递关系，分析误差放大器的电路连接方式，有：

设G2(s)表示差分放大部分的电压传递关系，有：

差分放大部分TR2基极接误差信号ub，TR3基极接地、集电极输出uc，将这种单端输入单端输出方式等效为双端差模输入信号ub和共模输入信号ub/2的叠加[10]，即：

式中：Ad为单端输出时差分电路的差模放大倍数；Ac为单端输出时差分电路的共模放大倍数。

根据输出阻抗与输入阻抗之间的关系，有：

在图3差分放大部分中，Rb=0，Rc=R10，RL=∞，Re=R7+R9，故：

其中：

取工作温度T=300 K，分析TR2和TR3的静态工作点，得：

设G3(s)表示功率调整部分的电压传递关系，有：

考虑到TR3-TR7工作于复合管射极输出状态，其输入阻抗大，输出阻抗小，具有电压跟随的特点，故取：

设G4(s)表示变压倍压部分的传递关系，当平衡式倍压整流电路空载且达到稳态输出时，将其视作线性输出，有：

式中：B为升压变压器变压比，取值为148；N为平衡式倍压整流电路的倍压级数，取值为12。

设G5(s)为纹波滤除电路的传递函数，由电阻R19和电容C28-C39之间的滤波关系得：

设F(s)为高压取样电路的传递函数，即整个闭环稳压电源系统的反馈环节，分析其负反馈原理有：

将各元器件参数代入，得到高压电源主电路稳压系统的结构框图，如图7所示。根据图7，建立开环稳压系统的数学模型G(s)为：

图7　高压电源主电路稳压系统的结构框图

应用Matlab软件包，进行模型编译，绘制系统幅频特性曲线和相频特性曲线，如图8所示。

图8　高压电源开环稳压系统Bode图

分析图8，这款高压稳压电源的开环系统在幅频增益大于零的频率范围内，相频增益曲线穿越－180°的次数为0。分析图9，稳压系统的开环幅相曲线不包围(－1，j0)点，系统在右半平面为开环极点。由Nyquist稳定判据，稳压系统闭环稳定。根据开环系统Bode图可知，开环系统相位裕度为88.9°，说明其具有良好的增益裕度，电路频率补偿网络设计较为理想。系统带宽约为53 kHz，其幅频特性曲线在高频段发生明显衰减，可以有效抑制高频噪声，系统抗干扰能力较强。

4 改善高压电源性能的若干措施

(1)应用平衡式倍压整流电路，电路对称性好，高压输出纹波系数小，且使用元器件数量相对较少，可满足高压电源高稳定度输出、小型化发展的需求。

(2)采用屏蔽、间隙保护等结构设计，减少高稳定度高压电源漏电、放电打火等现象的发生；高压绝缘部件选用聚酰亚胺绝缘材料，设计关键器件屏蔽罩，有效防止电晕现象的发生。

(3)采用20 kHz逆变技术，提高电源供电效率，减小电源质量和体积。

(4)设计圆形高压箱，提高高压发生器的耐高气压能力和绝缘性能；采用SF6气体绝缘，增加元器件安装密度，减小了设备体积且安全环保。

图9　高压电源开环稳压系统Nyquist图

5 结论

本款200 kV高压电源，其稳定度达到2×10－6/min，通过分析影响其高压稳定度的因素，加强了基准电压源设计。通过建立稳压系统的数学模型，分析系统的相位裕度为88.9°，系统稳定可靠，且具有较强的抗干扰能力。目前，这款高稳定度高压电源已应用于TDX-200F1透射电子显微镜，其高稳定度输出电压满足了透镜的高分辨率需求，稳定可靠的系统性能为透镜的正常运行提供了安全保障。

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Research on 200 kV high voltage power supply with high stability and analysis of system characteristics

YANG Ya-jiao1,DONG Quan-lin1,DANG Yu-jie1,MU Hong-shan2
(1.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics of the Ministry of Education,Beihang University,Beijing 100191, China;2.General Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100191,China)

To satisfy the performance requirement of 200kV transmission electron microscopy with the high resolution of 0.25 nm,a high voltage power supply whose maximum output voltage was 200 kV together with the high stability of 2×10－6/min was required.By researching on the factors that directly influence the stability of the high voltage power supply， some theoretical references were provided for the development of high-voltage power supply with high stability.Analysis of the design schematic and principles of main circuit and elements for the high voltage power supply was given.Establishing the mathematical model of the main circuit of the high power regulator system and providing frequency characteristic of the system,the better system gain margin provided a guarantee for normal operation of the power supply.Finally for the development of high-stability high voltage power supply,several measures were proposed to improve high voltage power performances.

high voltage power supply;high stability;affecting factors;mathematical model of the stabilizing system; frequency characteristics

TM 743

A

1002-087 X(2016)01-0157-05

2015-06-15

国家科技支撑计划(2006BAK03A24)

杨娅姣(1989—)，女，河北省人，硕士研究生，主要研究方向为高稳定高压电源设计。构、元器件性能、工艺制作及测试条件要求更高。文献[4]中采用PID算法在闭环系统下实现了70 kV直流高压电源自稳定调节，其稳定度达10－4/h。文献[5]建立了基本C-W电路模型，结合实验和仿真研究了其稳态和动态特性，分析了电路中各参数对电路特性的影响，为电路拓扑结构的优化提供了理论基础。文献[6-7]分别应用对称式和正负双向式倍压整流电路，在不同程度上降低了高压电源的输出纹波。文献[8]对一款高压电源箱的气体绝缘和充气工艺进行了研究，提高了电源系统的可靠性。文献[9]设计了一款高压测试系统，为有效评估高压电源的性能提供了保障。