高压开关电源开环与闭环特性比较

姜　静,潘琳琳,李宏达,车　龙,赵红阳,尹　伯

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110168；3.清华大学 机械系，北京 100084)



高压开关电源开环与闭环特性比较

姜静1,潘琳琳1,李宏达2,3,车龙2,赵红阳2,尹伯1

(1.沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，辽宁 沈阳 110168；2.沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110168；3.清华大学 机械系，北京 100084)

现研制出紧凑型重复频率的高压开关电源，该电源具有体积小、成本低等优点，设计指标是在70 kΩ负载阻抗上上升沿600 ns，半脉宽1.5 μs，输出瞬时电压峰值30～210 kV可调且电压正负可转换。采用Matlab/Simulink软件仿真和实验验证高压开关电源开环性能指标，针对开环输出电压难以保持稳定，且难以使开关电极稳定触发的缺点，加入反馈构成闭环系统并利用Pspice软件仿真，可获得稳定输出电压154 kV，达到稳定时间20 μs。通过对高压开关电源开环和闭环系统的计算机仿真结果比较，可得加入反馈系统的高压开关电源具有良好的稳压特性。

高压开关电源；开环；反馈系统；闭环；稳压

随着高功率、长寿命、高重复频率脉冲功率技术的不断发展，对开关电源的技术要求也越来越高，进而推动了开关技术的发展[1-3]。国外开关电源的发展起源于20世纪50年代，美国宇航局为搭载火箭开发了第一个开关电源，该电源具有体积小、重量轻等优点，从此开关电源的发展向小型化、模块化等方向发展[4-6]。与国外发展情况相比，国内开关电源技术起步比较晚、技术相对落后，国外品牌占据了模块电源市场很大一部分，我国从80 年代开始就对高频高压开关电源进行整体研究，经过近30多年的努力，目前已经取得了一定的进展，相关产品相继问世[7-11]。本文研制出一台紧凑型、重复频率的高压开关电源，该电源具有体积小、成本低、输出电压瞬时峰值较大等优点，由于研制的高压开关电源具有开环特性，不能满足开关电极稳定触发要求，所以加入反馈系统构成闭环结构，从而达到稳压目的，使得开关电极能够稳定触发。

1　高压开关电源开环系统

1.1高压开关电源开环系统组成

高压开关电源开环系统组成实物图如图1所示。系统主要由6部分组成，分别是触发脉冲电源控制部分、触发脉冲电源信号形成部分、AC-DC电源部分、传输线部分、脉冲变压器部分、负载部分。其中触发脉冲电源信号形成部分由6个场效应晶体管组成(5个场效应晶体管并联在电路中控制低压输出，一个串联在电路中控制高压输出)，可大幅减少触发时刻的漂移；传输线部分采用双绞线结构，用于传输脉冲变压器的次级脉冲电压到高压输出单元，抵御外界电磁波干扰；脉冲变压器部分由磁开关和变压器两部分组成，其作用是将高压脉冲电源产生电压放大到所需要的高压；负载部分实际上相当于电容分压器(由电容与电阻并联在各自串联得到)，分压比为1∶100，目的是测试高压开关电源开环输出特性。

图1　高压开关电源系统实物图

1.2高压开关电源开环仿真

为了对上述高压开关电源在开环情况下工作性能进行研究，采用Matlab/Simulink软件对其进行建模，得到如图2所示的高压开关电源开环电路仿真模型图。根据给出的高压开关电源开环电路图进行计算机仿真，得到如图3所示给定正脉冲条件下的输出电压波形，从图中当可知，当高压开关电源仿真为8 μs时输出电压为84 kV，电压上升沿为500 ns，半脉宽为2.4 μs。从而可知，高压开关电源在开环情况下输出电压峰值30 ～210 kV可调且电压正负可转换，但输出电压稳定性差，这样不利于高压开关电源对开关电极稳定触发。

图2　高压开关电源开环电路仿真模型图

图3　正脉冲条件下的输出电压波形

1.3高压开关电源开环实验

为验证高压开关电源开环仿真结果，现以罐体、数字示波器、高压开关电源、传输线、变压器等器件搭建高压开关电源系统测试实物连接图，如图4所示。将开关电极放入充有纯SF6气体的密封罐体内，并将电极两端与高压开关电源正负极相连接，启动开关后高压开关电源向电极充电，通过自耦变压器改变输入电压大小进而使得开关电极击穿，从而得到瞬时输出电压实验波形如图5所示。其中衰减器的衰减倍数为60 dB，从图中可知高压开关电源在给定负脉冲的情况下，仿真时间为4 μs时输出瞬时电压峰值为-100 kV，系统上升沿为560 ns，半脉宽为1.4 μs。虽实验与仿真结果基本一致且与给定性能指标相接近，但其输出电压在持续时间内难以保持稳定，这不利于高压开关电源对电极稳定触发，还有待改善。

图4　高压开关电源系统测试实物连接图

图5　瞬时输出电压实验波形图

2　高压开关电源闭环系统

2.1高压开关电源闭环系统组成

为弥补高压开关电源开环系统的上述缺点，能使输出电压在一段时间内稳定在某电压值上，对研制的高压开关电源增加反馈系统，从而达到稳压效果。反馈系统主要由两大部分组成。

第一部分加入光电耦合器。一般的高压开关电源反馈部分可直接使用输出电压分压经过PWM控制器来调节电压，此种做法虽电路简单，但输入电压与输出电压共地，不仅容易发生危险，而且电源在高速工作时容易产生电磁干扰，综合各方面因素考虑此种方法不可行，因此在电源反馈部分加入光电耦合器。光电耦合器一般有线性和非线性两种类别，在实际应用中一般选用线性光电耦合器，因为线性光耦可传输电信号并随其信号的变化而产生相对应的光信号，从而达到隔离目的。

第二部分加入PWM控制器。PWM控制器是高压开关电源闭环控制的核心，其能产生脉冲宽度可调且频率固定的驱动信号来控制MOSFET的通断，进而调节输出电压的高低，从而达到稳压目的。PWM控制器有电压型控制器和电流型控制器两种，本文采用电流型控制器，其是在电压型控制器的基础之上加入电流环，当误差电压信号输入到PWM比较器后并不像电压型控制器那样与三角波进行比较，而是与一个变化的三角波进行比较，通过改变脉冲宽度来调节输出电压。

2.2高压开关电源闭环工作原理及仿真

加入反馈系统的开关电源结构如图6所示。其工作原理为：首先将220 V、50 Hz交流电经过自耦变压器输入到开关电源整流电路中，经过整流滤波电路将其变成直流电压输入到电路中，通过MOSFET管的高频通断使其成为高频方波电压，再经过高频变压器的升降压得到输出电压，此时输出电压大约为600～800 V，最后经由电容C2、磁开关S、高频变压器U3组成高压输出单元输出所需的高压电；由于某种原因使得输出电压降低，则分压电阻R2上电压也降低，流经光电耦合器的电压减小，则减小的误差电压信号流入PWM比较器与一个变化的、峰值代表电流电感峰值的三角波信号相比较，使占空比增大，从而增大电压，起到调节输出电压作用，达到稳压效果。

图6　加入反馈系统的开关电源结构图

为验证高压开关电源加入反馈系统的稳压情况，采用Pspice仿真软件对加入稳压系统的高压开关电源进行仿真。仿真结果如图7所示。从图中可知该高压开关电源的上升沿为600 ns，仿真时间为25 μs，输出电压稳定在154 kV，且稳定时间为20 μs。从而可知，加入反馈系统的高压开关电源相较于开环高压开关电源具有良好的稳压特性。

图7　加入反馈系统的仿真波形图

3　结束语

针对研制出的高压开关电源开环性能指标进行仿真与实验验证，得出研制出的高压开关电源在负载阻抗恒定情况下，输出瞬时电压峰值在30～210 kV可调且电压可正负转换，观察开环实验波形可得知在连续时间内输出电压难以保持恒定；为满足开关电极稳定触发特性的要求，对其加入反馈系统并进行仿真，结果表明加入反馈系统的高压开关电源具有良好的稳压特性。

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Comparison of Open Loop and Closed Loop Characteristics of the High Voltage Switching Power Supply

JIANG Jing1, PAN Linlin1, LI Hongda2,3, CHE Long2, ZHAO Hongyang2, YIN Bo1

(1.College of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 2.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 3.Mechanical Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A small-size low-cost high voltage switching power supply is developed. An output voltage of 30～210 kV can be adjusted and converted at 70 kΩ and a half width of 1.5 μs. The performance index are verified by matlab/simulink simulation and experiments, and the Pspice simulation is also introduced in view of the difficulty in maintaining the stability of open loop output voltage and the switch electrode of the feedback loop system, thus offering a stable output voltage of 154 kV at a stable time of 20 μs. Computer simulation results show that the high voltage switching power supply with the feedback system has good voltage regulation characteristics.

high voltage switching power supply; open loop; feedback system; closed loop; voltage regulator

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.001

2015-11-19

国家自然科学基金资助项目(51207096)；爆炸科学与技术国家重点实验室(北京理工)开放基金资助项目(KFJJ13-6M)

姜静(1973-), 女，副教授。研究方向：复杂系统的建模，优化及仿真。

TN86

A

1007-7820(2016)08-001-03