畢業(yè)設計---50kv直流高壓電源的設計

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設計)</b></p><p>　　題 目 50kV直流高壓電源的設計</p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學 號 </p><p><b>　　院 系 </b></p><p

2、>　　專 業(yè) </p><p>　　指導教師 </p><p><b>　　X年X月X日</b></p><p>　　目 錄</p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　2 高壓直流電源的概述1</p

3、><p>　　2.1開關直流電源的種類1</p><p>　　2.2 高壓直流電源發(fā)展中的問題和難點2</p><p>　　2.3國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3</p><p>　　3 高壓直流電源的主電路設計4</p><p>　　3.1 低壓直流電路的設計4</p><p>　　3.1.1

4、 整流電路4</p><p>　　3.1.2 穩(wěn)壓電路設計5</p><p>　　3.2 逆變電路設計6</p><p>　　3.2.1 逆變諧振電路拓撲結構的比較6</p><p>　　3.2.2振蕩逆變電路的設計8</p><p>　　3.2.3半橋逆變電路開關器件的選取9</p><

5、;p>　　3.2.4 控制器原理9</p><p>　　3.3脈沖變壓器10</p><p>　　3.3.1 脈沖變壓器的原理10</p><p>　　3.3.2脈沖變壓器的選擇11</p><p>　　3.4倍壓電路的設計12</p><p>　　3.4.1 倍壓電路的原理12</p>

6、<p>　　3.4.2倍壓電路的具體設計14</p><p>　　4 仿真與分析15</p><p>　　4.1 Proteus簡介及其特點15</p><p>　　4.1.1 Proteus簡介15</p><p>　　4.1.2 Proteus的特點15</p><p>　　4.2 基于Pro

7、teus的電路仿真15</p><p>　　4.2.1電壓頻率對穩(wěn)定時間以及紋波系數(shù)的影響16</p><p>　　4.2.2電容大小對紋波的影響18</p><p>　　4.2.3倍壓電路電容、高壓硅堆與電阻的選取19</p><p>　　4.3 串級高壓整流電路的結構設計20</p><p><b&

8、gt;　　5 總結20</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　致謝22</b></p><p>　　ABSTRACT23</p><p>　　50kV直流高壓電源的設計</p><p>　　摘要：設計了一種0

9、～50ｋＶ可調的直流高壓電源，通過AC-DC-AC-DC變換技術實現(xiàn)。本電源主要由低壓直流電源、穩(wěn)壓電路、振蕩逆變電路及倍壓電路組成。通過將市電（即220V民用電）降壓、整流、穩(wěn)壓、逆變、振蕩、升壓、倍壓整流等環(huán)節(jié)變換成高壓直流電源。該電源輸出電壓在0～50kV范圍內可調，紋波系數(shù)≤5%。最后進行了了5倍壓串級整流發(fā)生器的結構設計.</p><p>　　關鍵詞：高壓直流電源；整流穩(wěn)壓；逆變；升壓；串級整流發(fā)生器&

10、lt;/p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　高壓直流電源是將工頻電網(wǎng)電能轉變成特種形式的高壓電源的一種電子儀器設備，高壓直流電源按輸出電壓極性可分為正極性和負極性兩種。高壓直流電源已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè)，在兆瓦級加速器設計中直流高壓電源可以達到 90％以上的能量轉化效率，較好的滿足了其需求。而在日常生活中，直流電源應用非常廣泛，小至家用電器的供電

11、電源，大至大型發(fā)電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制、信號、保護、自動重合閘操作、事故照明、直流油泵、各種直流操作機構的分合閘，二次回路的儀表，自動化裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源。其也廣泛應用于軍事及其科學研究等領域。直流高壓電源也有一些先進的變換技術，如零電流串聯(lián)和并聯(lián)諧振開關技術（即ZCS）；零電壓LCC諧振逆變技術（即ZVS）； 軟開關和相控諧振技術；正反激勵和推挽逆變器技術。高壓直流電

12、源有著廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　本文設計了一種50kV直流高壓電源。其特點是直流高壓從0～50kV連續(xù)可調，紋波系數(shù)小于5%，體積小、重量輕、絕緣性好、性能穩(wěn)定。可用于為高壓儲能網(wǎng)絡充電，也可單獨作為一種直流高壓電源使用。</p><p>　　2 高壓直流電源的概述</p><p>　　2.1開關直流電源的種類</p><p>　

13、　開關型直流電源與線性直流電源不同，直流電源就是開關型直流電源，它的電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。它和線性直流電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾萬赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開關狀態(tài)；開關直流電源因此而得名[1]。開關直流電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠；缺點相對于線性直流電源來說紋波較大（一般≤1% (P-P)，好的可做到十幾mV(P-P)或更小)。它的功率可自幾瓦

14、－幾千瓦均有產品，價位為3 元－十幾萬元/瓦不等，下面就一般習慣分類介紹幾種開關直流電源：</p><p><b>　　(1)通信直流電源</b></p><p>　　通信直流電源其實質上就是DC/DC變換器式直流電源，只是它一般以直流－48V或－24V供電，并用后備電池作DC供電的備份，將DC的供電電壓變換成電路的工作電壓，一般它又分中央供電、分層供電和單板供電三種

15、，以后者可靠性最高。</p><p><b>　　(2)電臺直流電源</b></p><p>　　電臺直流電源輸入AC220V/110V，輸出DC13.8V，功率由所供電臺功率而定，幾安幾百安均有產品.為防止AC 電網(wǎng)斷電影響電臺工作，而需要有電池組作為備份，所以此類直流電源除輸出一個13.8V直流電壓外，還具有對電池充電自動轉換功能。</p><

16、p><b>　　(3)模塊直流電源</b></p><p>　　隨著科學技術飛速發(fā)展，對直流電源可靠性、容量/體積比要求越來越高，模塊直流電源越來越顯示其優(yōu)越性，它工作頻率高、體積小、可靠性高，便于安裝和組合擴容，所以越來越被廣泛采用。目前，目前國內雖有相應模塊生產，但因生產工藝未能趕上國際水平，故障率較高。</p><p>　　(4)AC/DC直流電源<

17、/p><p>　　該類直流電源也稱一次直流電源，它自電網(wǎng)取得能量，經(jīng)過高壓整流濾波得到一個直流高壓，供DC/DC 變換器在輸出端獲得一個或幾個穩(wěn)定的直流電壓，功率從幾瓦－幾千瓦均有產品，用于不同場合。屬此類產品的規(guī)格型號繁多，據(jù)用戶需要而定通信直流電源中的一次直流電源（AC220輸入，DC48V或24V輸出)也屬此類。</p><p>　　(5)DC/DC直流電源</p><

18、;p>　　在通信系統(tǒng)中也稱二次直流電源，它是由一次直流電源或電池組提供一個直流輸入電壓，經(jīng)DC/DC變換以后在輸出端獲一個或幾個直流電壓。</p><p>　　DC/DC模塊直流電源目前雖然成本較高，但從產品的漫長的應用周期的整體成本來看，特別是因系統(tǒng)故障而導致的高昂的維修成本及商譽損失來看，選用該直流電源模塊還是合算的，在此還值得一提的是羅氏變換器電路，它的突出優(yōu)點是電路結構簡單，效率高和輸出電壓、電流的

19、紋波值接近于零。</p><p>　　2.2 高壓直流電源發(fā)展中的問題和難點</p><p>　　隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應用于開關電源，使得開關電源的性能不斷提高，特點不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性?，F(xiàn)代的高壓開關直流電源有兩大技術特別突出。</p><p>

20、;　　1）關鍵功率新部件的應用</p><p>　?。?）快速轉換器件，像晶體管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等；</p><p>　?。?）低功耗、高性能，適用于高頻的新型變壓器鐵心材料的應用，比如鐵氧體、非晶材料等；</p><p>　?。?）低耗散因素的大容量電容的發(fā)展和應用；</p><p>　?。?）低前向電壓降的快速整

21、流器應用等。</p><p>　　2）先進變換技術的發(fā)展</p><p>　　（1）零電流串聯(lián)和并聯(lián)諧振開關技術(即ZCS)；</p><p>　　（2）零電壓LCC諧振逆變技術(即ZVS)；</p><p>　　（3）軟開關和相控諧振技術；</p><p>　?。?）正反激勵和推挽逆變器技術。</p>

22、<p>　?。?）伴隨著高新技術的逐步應用，新的技術問題也隨之出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在高頻化可以提高電源性能，減少變壓器的體積和紋波系數(shù)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現(xiàn)了新的技術難點：</p><p>　?、俑哳l高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問題異常突出；</p><p>　?、诖箅妷鹤兓仁棺儔浩鞯姆蔷€性嚴重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關隔離，

23、否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至會擊穿功率器件；</p><p>　?、鄹哳l化導致變壓器的趨膚效應增強，使變壓器效率降低。</p><p>　　鑒于上述情況，高頻高壓變壓器如何設計是目前研究的一個難點和熱點問題。最近出現(xiàn)的平面變壓器在設計理念上不同于傳統(tǒng)的設計方式，普通平面變壓器已經(jīng)投入生產和應用，如果高頻高壓變壓器也能平面化，將會再次大大縮小電源體積，提高其工作效率。<

24、/p><p>　?。?）由于高壓電源的頻率很高，導致功率開關器件開斷頻繁，能耗增大，這就對逆變器的拓撲結構應有所選擇。采用軟開關和同步整流技術，可有效降低伴隨高頻化帶來的損耗。同時采用逆變器和準諧振電路相結合的技術，通過電壓或電流的諧振，使開關打開或斷開時電壓或電流為零，使能耗大大減小。為了減少變壓器漏感的不利影響，可以將變壓器漏感作為逆變器的一部分，即逆變--諧振--變壓器漏感，用一體化思想進行整體設計。</

25、p><p>　?。?）在控制檢測部分，高頻高壓開關電源采用了數(shù)字集成電路(IC)，而不像線性電源完全是模擬電路。開關電源以模擬方式控制輸出電壓，以數(shù)字方式進行開關操作，高精度而穩(wěn)定地輸出電壓。采用數(shù)字控制技術，可進行連續(xù)和不連續(xù)模式的轉換，采用PWM(脈寬調制技術)和PFM(頻率調制技術)，和DC－DC(直流--直流)變換器、逆變器等技術，出現(xiàn)了強電弱電間的相互影響加強。檢測部位的高壓電壓(近10kV)，對后續(xù)的電子

26、元器件(精密電阻等)提出了更高的性能要求。</p><p>　　目前，國外高壓直流電源比較成熟，像Spellman、Classman等高壓電源公司已生產出小型化、高效化、智能化的高壓直流電源，然而價格比較昂貴，國內直流高壓電源研究起步較晚，與先進國家相比有較大差距。尤其在高頻、高性能直流高壓開關電源方面，國內還沒有形成批量生產能力。</p><p>　　2.3國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢<

27、;/p><p>　　在國外，從70年代開始，日本的一些公司開始采用開關電源技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓，美國GE公司生產的AMX-2移動式X線機把蓄電池供給的直流電逆變成50OHz的中頻方波送入高壓發(fā)生器，從而減小體積和重量。進入80年代，高壓開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高

28、壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小[2]。近十年來，隨著電力電子技術的進步和開關器件的發(fā)展，高壓開關電源技術不斷發(fā)展。突出的表現(xiàn)是頻率在不斷提高:如Philips公司30kw以下移動式X光機的X線發(fā)生裝置頻率達30kHz以上，德國的霍夫曼公司高壓發(fā)生器頻率高達4OkHz。98年以后通用電氣公司和瓦里安公司都研制成功100kHzX線機發(fā)生器。另外，高壓開關電源的功率也在不斷地提高，10-30kw的大功率高壓開關電源在產品上己很成熟

29、，更高功率的高壓開關電源也有很快的發(fā)展，如:用于雷達發(fā)射機的140kw高壓開關電源(俄羅斯)[3]；用于脈沖功率技術中的300kw大功率恒流充電電源(美國EEV</p><p>　　可以看出，高壓開關電源的發(fā)展的主要趨勢是:</p><p><b>　　①頻率不斷提高，</b></p><p><b>　　②功率不斷增加。</b

30、></p><p>　　我國自80年代初開始對高頻化的高壓大功率開關電源技術進行研究，分別列入了“七.五”、“八.五”、“九.五”國家重點攻關項目。國家“八五”攻關項目(85-805-01)，200kV高壓直流開關電源的研制，輸出功率達20kw[4]；國家自然基金資助項目(69871002)產生高濃度臭氧用20kHz高壓逆變電源的研制，電源的轉換效率>80%，輸出功率最高達20kW，電源體積降至原體積

31、1/5，臭氧發(fā)生器體積降為原來1/6，O3；體積質量最高可達250g/m3，還減少了原材料消耗[5]；靜電除塵高壓直流電源也實現(xiàn)了高頻化，采用全橋零電流開關串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓，在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。</p><p>　　總之，我國高壓開關電源技術已取得了很大的進步，但同國外相比還有很大

32、的差距，特別是大功率高壓開關電源技術仍處在研發(fā)之中。</p><p>　　3 高壓直流電源的主電路設計</p><p>　　高壓直流電源由低壓直流電路、逆變器、升壓電路、倍壓整流電路、輸出電路、控制及保護電路組成。</p><p><b>　　如圖1所示：</b></p><p>　　圖1 直流高壓電源主電路圖</

33、p><p>　　3.1 低壓直流電路的設計</p><p>　　低壓直流電路是由電源變壓器，橋式整流電路，電容濾波電路和由穩(wěn)壓芯片LM338以及電容構成的穩(wěn)壓電路所組成。電源變壓器將市電220V電壓變?yōu)樗枰?0V電壓，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于該電壓還含有較大的紋波，必須通過電容濾波電路將紋波濾除，從而得到平滑的直流電壓。即使如此，得到的電壓仍隨電網(wǎng)電壓波動（

34、77;10%左右）、負載和溫度的變化而變化，因此還需再加一個穩(wěn)壓電路。</p><p>　　3.1.1 整流電路</p><p>　　整流就是把交流電轉變成直流電的過程。利用具有單向導電性的器件，可以把方向和大小交變的電流轉變成直流。用晶體二極管組成的整流電路可分為半波整流電路、全波整流電路和橋式整流電路。</p><p>　　本設計的整流電路采用橋式整流電路，其電

35、路如圖2所示：</p><p><b>　　圖2 橋式整流電路</b></p><p>　　電路的工作原理：在電路二端加一交流電，當交流電在正半周時，對VD1和VD3加正向電壓，VD1和VD3導通，對VD2和VD4加反向電壓，VD2和VD4截止，電路中構成VD1、RL 、VD3通電回路，在RL上形成上正下負的半波整洗電壓，當交流電在負半周時，對VD2和VD4加正向電壓

36、，VD2和VD4導通，對VD1和VD3加反向電壓，VD1和VD3截止。電路中構成VD2、RL、VD4通電回路，同樣在RL上形成上正下負的另外半波的整流電壓。</p><p>　　3.1.2 穩(wěn)壓電路設計</p><p>　　穩(wěn)壓電路主要由V1和V2組成的復合管作為調整單元、V3和V4組成的復合管作為比較放大單元、由V5和電阻組成的基準單元和以整流二極管V6和濾波電容C1、C2以及電阻R1、

37、R2、R3、R4和RW組成的采樣單元組成[8]，如圖3所示。電容C3和RW并聯(lián)使用可以平穩(wěn)線性調整輸出電壓；電容C4可以濾除后端脈沖變壓器負載的高次諧波電壓，保護前端電路不被損壞。電路工作時，+20V電壓通過穩(wěn)壓電路給脈沖變壓器供電。當輸出電壓升高或降低時，經(jīng)采樣單元電路加到放大管V3基極的電壓也隨之升高或降低，通過V3、V4比較放大電路調節(jié)V1、V2復合調整管的導通程度，使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié)電位器RW，直流高壓輸出可在17kV～5

38、0kV之間連續(xù)變化，即可改變輸出高壓幅度。</p><p><b>　　圖3 穩(wěn)壓電路</b></p><p>　　此穩(wěn)壓電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，因為同相比例運算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調，則其輸入電壓就可調節(jié)；同時為了擴大輸出大電流，集成運放輸出端加晶體管，并保持射極輸出形式，就構成具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。</p><p>

39、;　　3.2 逆變電路設計</p><p>　　3.2.1 逆變諧振電路拓撲結構的比較</p><p>　　逆變電路的拓撲結構決定了半導體器件的開關強度、開關損耗、電磁干擾強度、控制方法及可控性能，同時也制約了開關器件的種類。常見的變壓器和開關組成的逆變電路有四種拓撲結構:即單端式、推挽式、半橋式和全橋式[9][10][11]。圖4(a)所示為單端式拓撲結構。這種電路最簡單，存在如下缺點:

40、首先，它的輸入電流是脈動的，其電流幅值由其平均值和開關S1的導通比決定。因此，這種電路常需要接入輸入低通濾波器；其次，當開關S1不導電時，開關電壓等于Vi+V2，其中V2為變壓器次級反射到初級的電壓。在許多情況下，這個開路電壓大于電源電壓的兩倍；第三，開關S1閉合時通過的電流峰值也可能大于輸入平均電流的兩倍；第四，由于變壓器鐵心被單向脈動電流激磁，可能使鐵心飽和，致使S1導通時產生很大的電流，或使S1斷開時產生過大電壓，導致開關損壞，所

41、以需要附加磁通復原電路，使電路更加復雜化。由于這些原因，單端式拓撲結構己用的極少.</p><p>　　圖4（a）單端式拓撲結構</p><p>　　圖4（b）推挽式拓撲結構</p><p>　　圖4(b)所示為推挽式拓撲結構，圖中開關S1與S2交替導通，每個開關的導通比都為50%。這兩個開關的作用是在變壓器T1的初級產生對稱的交變的方波電壓。在元件皆為理想的假定下

42、，有:</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中，分別為變壓器初、次級繞組的匝數(shù)。</p><p>　　由以上分析可知，推挽式逆變電路實現(xiàn)了直流變?yōu)榻涣鞯墓δ?。推挽式直流變換器初級不導通開關兩端的電壓為2Vi，即為輸入電壓的兩倍。這是因為與Vi相連的初級繞組上的電壓一定要反射到初級繞組的另一半上的緣故。S1或S2

43、導通時開關中流過的電流峰值在理想情況下等于輸入電流的平均值Is。</p><p>　　圖5(a)所示為半橋式拓撲結構。圖中開關S1和S2交替導通。此電路中，不導通開關兩端的電壓等于輸入電壓Vi，而導通開關中的電流峰值等于電源平均電流Ii的兩倍。交流變壓器初級繞組上的電壓是電源電壓的一半，故輸出電壓為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p>

44、<p>　　式中，，分別為變壓器初、次級繞組的匝數(shù)。</p><p>　　圖5（a）半橋式拓撲結構</p><p>　　圖5（b）全橋式拓撲結構</p><p>　　圖5(b)為全橋式拓撲結構。在某個半周期，開關S1與S4同時導通，在下一個半周期，開關S2和S3同時導通。穩(wěn)態(tài)時，任一個不導通開關兩端的電壓皆為電源電壓VS，任一導通開關中的電流峰值皆為電

45、源平均電流Is。以上四種拓撲結構總體比較如表1所示，由表可以看出本設計中宜選用推挽式或半橋式拓撲結構，由于推挽式電路中漏感引起的電壓尖峰是半橋式的2倍，這給電路設計與調試帶來了困，并對開關管的耐壓提出了更高的要求，綜合以上各種電路的優(yōu)缺點本文選用半橋式電路拓撲結構。</p><p>　　表1 四種逆變電路拓撲結構的比較</p><p>　　3.2.2振蕩逆變電路的設計</p>

46、<p>　　振蕩逆變電路是由半橋變壓型逆變電路、文氏振蕩電路以及脈沖變壓器組成，如圖所示。電路工作時，+20V直流電壓經(jīng)半橋變壓型逆變電路進行逆變，產生高頻電壓，再由振蕩電路將該電壓進行振蕩變換，向脈沖變壓器輸出一個高頻的矩形脈沖電壓，經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出10kV的高頻高壓，送至倍壓電路，經(jīng)倍壓整流濾波后輸出所要設計的直流高壓[12]。如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 振蕩逆

47、變電路</b></p><p>　　如圖6所示，半橋逆變電路兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件U和一個反并聯(lián)二極管D組成。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容C，兩個電容的連接點成為直流電源的中點，阻感負載接于直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。</p><p>　　文氏振蕩電路則是由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，以及同向輸入比例放大器組成。</p><p>　　文

48、氏振蕩電路輸出信號頻率計算公式 （3-3）</p><p>　　取=10kHz，所以=1.59×10-5</p><p>　　取=15000Ω，則=1.06×10-9（F）。</p><p>　　3.2.3半橋逆變電路開關器件的選取</p><p>

49、　　在逆變電路中開關器件起著核心的作用。在開關器件的選型時，可從五個方面綜合考慮[13][14][15]：</p><p>　　1.導通壓降。半導體器件工作在飽和導通時仍產生一定的管耗，管耗與器件導通壓降成正比，所以應盡量選擇低導通壓降的電力半導體器件。</p><p>　　2.運行頻率。電力半導體器件運行頻率除了與器件的最小開、關時間有關外，還受到開關損耗和系統(tǒng)控制分辨率的限制，器件的開

50、、關時間越短，器件可運行的頻率越高。</p><p>　　3.器件容量。器件容量包括輸出功率、電壓及電流等級、功率損耗等參數(shù)。</p><p>　　4.耐沖擊能力。主要是指器件短時間內承受過電流的能力。</p><p>　　5.可靠性。主要是指器件防止誤導通的能力。半可控器件一旦受到干擾信號產生了誤導通，則無法通過控制信號將其關斷，因此在主要承受正向阻斷電壓的有源逆

51、變系統(tǒng)中，容易造成系統(tǒng)的顛覆。而全可控器件可以通過控制信號迅速關斷誤導通的器件，因此系統(tǒng)工作可靠性高。</p><p>　　基于以上考慮，綜合比較了現(xiàn)在市場上的各種開關半導體器件并結合本文的實際情況，全控型開關器件是優(yōu)先考慮選用的。GTR開關速度較低，對di/dt有影響，而且是電流驅動方式，驅動功率較大，還存在二次擊穿問題；功率MOSFET有較好的高速控制性能，然而容量小，難以實現(xiàn)大電流，主要應用于小型和輕型設備

52、中；IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件，它兼有MOSFET易驅動和功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾萬赫茲頻率范圍內，在較高頻率的大中功率應用中占據(jù)了主導地位。目前，IGBT的電流和電壓等級己1800A/400OV，關斷時間已縮短至40ns，這些優(yōu)越的性能使得IGBT成為大功率開關電源、逆變器等電力電子裝置的理想功率器件。故而本文中采用IGBT作為逆變電路的主控功率開關

53、器件。</p><p>　　3.2.4 控制器原理</p><p>　　控制器是進行控制和驅動半橋逆變器工作的，是高壓開關電源技術實現(xiàn)的關鍵所在。己有一些集成芯片，如美國Unitrode公司生產的UC386X系列控制芯片，該系列控制芯片適用于零電流開關或零電壓開關的諧振變換器，但這些產品只適合中小功率電源，更不能滿足大功率高壓開關電源的需要。</p><p>　　結

54、合其運行特點以及半橋逆變器對控制器的要求，設計了諧振變換器控制器，其原理框圖如圖7所示。該控制器主要由振蕩器、單脈沖發(fā)生器、電流過零檢測器、死區(qū)調整電路、分頻器、軟啟動控制及驅動電路組成。</p><p>　　圖 7 控制回路原理圖</p><p>　　該控制器的工作原理為:電流過零點檢測器用于跟蹤逆變器的諧振頻率，并在電流過零點處開斷，死區(qū)調整用于調整死區(qū)時間，軟啟動控制為一定時器，系統(tǒng)

55、剛啟動時起作用，使振蕩器工作于固有頻率，此頻率較低，以限制啟動電流，過一段時間后，振蕩器跟蹤工作在逆變器的諧振頻率附近，并在電流過零點處開斷，分頻器用于產生互補的兩路信號通過驅動電路輸出四路驅動信號，最后實現(xiàn)對半橋逆變器兩只IGBT的驅動。</p><p><b>　　3.3脈沖變壓器</b></p><p>　　3.3.1 脈沖變壓器的原理</p>&

56、lt;p>　　利用鐵心的磁飽和性能把輸入的正弦波電壓變成窄脈沖形輸出電壓的變壓器[16]?？捎糜谌紵鞯狞c火、晶閘管的觸發(fā)等。脈沖變壓器結構為原繞組套在斷面較大的由硅鋼片疊成的鐵心柱上，副繞組套在坡莫合金材料制成的斷面較小的易于高度飽和的鐵心柱上，在兩柱中間可設置磁分路。電壓和磁通的關系，輸入電壓u1是正弦波，在左面鐵心中產生正弦磁通Φ1。右面鐵心中磁通Φ2高度飽和，是平頂波，它只有在零值附近發(fā)生變化，并立即飽和達到定值。當Φ2過

57、零值的瞬間，在副繞組中就感應出極陡的窄脈沖電動勢e2。磁分路有氣隙存在，Φσ基本上按線性變化，與漏磁相似，其作用在于保證Φ1為正弦波。</p><p>　　脈沖變壓器是一種特殊類型變壓器[17]。它變換的不是正弦電壓，也不是交流方波，而是接近矩形的單極性脈沖。其主要用途包括：升高或降低脈沖電壓；改變脈沖的極性；使振蕩器的輸出與負載匹配。</p><p>　　典型的脈沖變壓器集中參數(shù)等效電路

58、如圖8所示。該電路雖采用了集中參數(shù)等效電路，大大簡化計算難度，但仍然有10個儲能元件，要對它進行分析，計算過程仍然過于復雜，因此還需要對其進行進一步簡化。在實際應用可以先忽略引線電感、引線電容、信號源內阻及一、二次側之間的分布電容，再將一、二次側的漏感合并，這樣就得到了如圖9所示的脈沖變壓器簡化等效電路圖。</p><p>　　圖8 脈沖變壓器等效電路</p><p>　　圖9 脈沖變壓器

59、簡化等效電路</p><p>　　由于脈沖變壓器二次繞組的分布電容和繞組電阻值遠遠小于負載的電容和電阻值，因而可以忽略不計。盡管如此，要對該電路各個方面同時進行分析難度仍然非常大，只有對脈沖變壓器輸出的前沿、平頂、后沿和反沖進行分別分析和實驗，才能準確把握脈沖變壓器的性能。</p><p>　　3.3.2脈沖變壓器的選擇</p><p>　　由于變壓器負載電路（即倍

60、壓電路）中存在較大的電容(在2nF～6nF之間)，因此對脈沖上升沿和下降沿的寬度要求不高，但要求變壓器的磁化電感必須足夠大。各變壓器的參數(shù)要嚴格一致，包括漏感、分布電容、磁化電感等[18]。</p><p>　　根據(jù)以上要求，為了提高變壓器的性能，應選用高飽和磁感應強度、高磁導率、低剩余磁感應強度及溫度穩(wěn)定性較好的磁性材料。表l為幾種常用的磁性材料。從表中可以看出，非晶態(tài)合金的工作頻率和飽和磁感應強度較高，但工作

61、溫度較低且加工工藝較復雜；鐵氧體的飽和磁感應強度太低；而坡莫合金的飽和磁感應強度較大且工作溫度和居里溫度都比較高，符合脈沖源要求而且加工方便。因此，在這里選用了坡莫合金作為鐵心材料。</p><p>　　繞制開關變壓器最重要的問題是想辦法使初、次級線圈緊密地耦合在一起，這樣可以減小變壓器漏感，因為漏感過大，將會造成較大的尖峰脈沖，從而擊穿開關管。因此，在繞制高頻變壓器線圈時，應盡量使初、次級線圈之間的距離近些。為

62、減小分布參數(shù)的影響，初級采用雙線并繞連接的結構，次級采用分段繞制，串聯(lián)相接的方式，即所謂堆疊繞法。降低繞組間的電壓差，提高變壓器的可靠性。在變壓器的絕緣方面，線圈絕緣應盡量選用抗電強度高、介質損耗低的復合纖維絕緣紙，提高初、次級之間的絕緣強度和抗電暈能力。</p><p>　　表2 常用磁性材料性能</p><p>　　3.4倍壓電路的設計</p><p>　　3.

63、4.1 倍壓電路的原理</p><p>　　現(xiàn)在就圖10所示的二倍壓電路為例，對倍壓整流電路進行分析[19][20][21]。在分析過程中，假定C1=C2，并略去回路中的等效電阻及漏電流。</p><p><b>　?。╝）電路原理圖</b></p><p><b>　?。╞）工作過程</b></p><

64、;p>　　圖10 二倍壓電路整流電路</p><p>　　如圖10（b）所示在0-t1期間，升壓變壓器次級電壓正向增大到，D1導通，D2截止，電壓經(jīng)D1給電容C2充電，B點對O點電位上升到。t1-t2期間電壓從減小到，由于這時D1、D2均反向偏置而截止，A點對E點電位為-，B對O點電位保持為。t2-t3期間電壓從減小到-，Dl反向偏置而截止，D2正向偏置而導通，A點對E點電位由-上升到。B點對O點電位保持為

65、。t3-t4期間電壓從-上升到-，Dl反向偏置而截止，D2正向偏置而導通，A點對E點電位由-上升到，B點對O點電位保持為。t4-t6期間電壓從-上升到 ，D1正向偏置而導通，D2反向偏置而截止，A對D點電位由下將到+。B點對O點電位由上升到+。依次類推，最后B點對O點電位可達2。</p><p>　　為了獲得更高的電壓，可以采用串級發(fā)生器的方法來獲得高壓[22]。串級發(fā)生器的基本單元即圖9的倍壓電路。根據(jù)所需電壓

66、的高低，把不同級數(shù)的倍壓電路串接起來即組成串級發(fā)生器（如圖11所示）。</p><p>　　圖11 串級發(fā)生器電路原理圖</p><p>　　由串級直流發(fā)生器原理可知：當交流變壓器獲得一定電壓后，在直流電容器上可以獲得雙倍乘以級數(shù)的高電壓，級數(shù)越多，獲得的高電壓越高。這樣，在設計高壓直流電源時，可以用較低參數(shù)的元件，獲得很高的電壓[23]。但壓降和紋波隨負荷電流的增大而增大，隨電容及頻率值

67、的增大而減小，二者都因級數(shù)的增加而迅速上增，為了獲得較大的平穩(wěn)的輸出電壓，應限制負荷電流及級數(shù)，并增大電容及頻率值。n級倍壓電路串接而成的發(fā)生器有負荷時最大輸出電壓平均值為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　由上式可知，當n超過一定值時，再增加n將無補于輸出電壓而徒然增大結構和元件數(shù)量。n的臨界數(shù)為

68、 （3-5）</p><p>　　串級發(fā)生器的紋波因數(shù)為 （3-6）</p><p>　　從式（3-4）可知，減小紋波因數(shù)和增大輸出的負荷電流是矛盾的。為降低發(fā)生器輸出電壓的紋波，可根據(jù)發(fā)生器額定電壓和電流的大小以及對紋波或電壓穩(wěn)定度的要求，分別或同時采取以下

69、措施：</p><p>　?、?提高每級電容器的工作電壓以減小級數(shù)n ；</p><p>　?、?增加每級電容器的電容量；</p><p>　?、?采用對稱回路或三相回路；</p><p><b>　?、?提高供電頻率。</b></p><p>　　很顯然:措施①用減小級數(shù)來提高輸出電壓是個好辦法

70、 ，但若級數(shù)太少 ，勢必要提高變壓器的電壓 Um ，這樣將提高對變壓器 T的要求 ，其體積、重量會增加 ，整個電源的體積和重量也勢必會增加；措施②的缺點與之相似 ，用增加級電容 C 以提高輸出電壓Ua和減小電壓脈振的同時 ，高壓電源本體的體積和重量亦會成倍數(shù)的加大 ，另外 ，級電容加大 ，電容器儲存電荷增多 ，對試驗人員的安全也不利；措施④提高交流供電的頻率f ，以減小電壓脈振和提高輸出電壓 是一種較好的方法 它非但不要求提高變壓器、硅

71、堆、級電容的額定工作電壓 ，也不要求增大電容器的電容量 ，相反還減小變壓器的體積和電容器的電容量 ，從而大幅度減輕重量、減小體積。提高頻率的辦法有多種 ，一方面可采用目前國內、外廣泛應用的電力電子技術 ，這在串級直流中可得到很好的應用。另外 ，對于容量較大、要求紋波很小的直流電源 ，也可用三相或多相交流的整流電路以提高頻率的方法</p><p>　　以上分析的是負載引起的脈振和壓降，并未考慮雜散電容的影響，事實上

72、由于整流元件等的雜散電容的存在，輸出電壓上還會有附加的脈振和壓降，但相對較小，對一般發(fā)生器可不予考慮，只在要求很高穩(wěn)定度的場合才需要考慮。</p><p>　　3.4.2倍壓電路的具體設計</p><p>　　圖12 倍壓整流電路</p><p>　　本設計的倍壓整流電路采用了五倍壓，如圖12所示。利用二極管的整流和導引作用，將較低的直流電壓分別存在多個電容器上，然

73、后將它們按照相同的極性串接起來，從而得到較高的輸出直流電壓。組成電路的主要器件是二極管和電容器。脈沖變壓器輸出的脈沖高壓經(jīng)倍壓整流電路后輸出——直流高壓。電容C1至C4選取較大電容，能有效的控制波紋系數(shù)[24]。 </p><p><b>　　4 仿真與分析</b></p><p>　　4.1 Proteus簡介及其特點 </p><p>　　

74、隨著計算機技術飛速發(fā)展，電路設計可以通過計算機輔助分析和仿真技術來完成。計算機仿真在教學中的應用，代替了大包大攬的試驗電路，大大減輕驗證階段的工作量；其強大的實時交互性、信息的集成性和生動直觀性，為電子專業(yè)教學創(chuàng)設了良好的平臺，極大地激發(fā)了學生的學習興趣，能夠突出教學重點、突破教學難點；并能保存仿真中產生的各種數(shù)據(jù)，為整機檢測提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足整個設計及驗證過程的自動化[25]。。

75、</p><p>　　4.1.1 Proteus簡介</p><p>　　Proteus軟件是英國Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛的應用[26].Proteus軟件的功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多功能于一身，不僅能夠對電工、電子技術科學涉及的電路進行設計與分析，還能夠對微處理器進行設計和仿真，它的強大的元件庫可

76、以和任何電路設計軟件相媲美。它的電路仿真功能可以和Multisim相媲美，且獨特的單片機仿真功能是Multisim及其他任何仿真軟件都不具備的，它的PCB電路制版功能可以和Protel相媲美。</p><p>　　4.1.2 Proteus的特點</p><p>　　Proteus ISIS實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真的結合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的

77、系統(tǒng)仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真等功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有68000系列、8501系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列/HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟

78、件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。具有強大的原理圖繪制功能。</p><p>　　4.2 基于Proteus的電路仿真</p><p>　　電路倍壓整流輸入為高壓脈沖信號，振蕩逆變電路中改變輸出交流電壓的幅值和頻率，在仿真中可以直接修改電源參數(shù)可以達到目的。</p><p>　　做出仿真

79、原理圖（如圖13）</p><p><b>　　圖13 仿真原理圖</b></p><p>　　4.2.1電壓頻率對穩(wěn)定時間以及紋波系數(shù)的影響</p><p>　　首先取C12=C13=C14=C15=6μf不變，倍壓電路從脈沖變壓器獲得電壓為10kV，改變C10的值，從而改變電壓頻率，用示波器對仿真的電壓進行提?。?lt;/p>&l

80、t;p>　　圖14 f=12kHz時的輸出電壓波形</p><p>　　圖15 f=12kHz電壓穩(wěn)定后的紋波波形</p><p>　　根據(jù)示波器顯示的數(shù)據(jù)，圖15中，Vmax=46.979kV，Vmin=46.614kV。</p><p>　　所以紋波系數(shù)S=Vmax-Vmin/Vav=0.009。</p><p>　　圖16

81、f=11kHz時輸出電壓波形</p><p>　　圖17 f=11kHz電壓穩(wěn)定后的紋波波形</p><p>　　根據(jù)示波器顯示的數(shù)據(jù)，圖17中，Vmax=46.193kV，Vmin=45.492kV。</p><p>　　所以紋波系數(shù)S=Vmax-Vmin/Vav=0.017。</p><p>　　圖18 f=10kHz時輸出電壓波形&l

82、t;/p><p>　　圖19 f=10kHz電壓穩(wěn)定后的紋波圖形</p><p>　　根據(jù)示波器顯示的數(shù)據(jù)，圖19中，Vmax=44.704kV，Vmin=43.398kV。</p><p>　　所以紋波系數(shù)S=Vmax-Vmin/Vav=0.029。</p><p>　　由圖14、16、18對比可以看出，在電壓大小不變的情況下，電壓的頻率越高

83、，它達到穩(wěn)定所需要的時間就越短，同時由圖15、17、19及求得的紋波系數(shù)進行對比可以得出結論，即輸入電壓的頻率越高，輸出的電壓紋波系數(shù)就越小。</p><p>　　4.2.2電容大小對紋波的影響</p><p>　　脈沖變壓器對倍壓電路輸出10kV，10kHｚ的脈沖電壓不變，改變等值電容C12、C13、C14、C15、C16大小，分別取6μf、10μF，18μF，用示波器對仿真的電壓波形進

84、行提取，由于C=6μf的輸出特性曲線已在圖15、圖16表示，因此此處測C=10μf及C=18μf的特性曲線，所得如下：</p><p>　　圖20 C=10μf時的輸出電壓波形</p><p>　　圖21 C=10μf時輸出電壓穩(wěn)定后的紋波波形</p><p>　　根據(jù)示波器顯示的數(shù)據(jù)，圖21中，Vmax=46.055V，Vmin=45.218kV。</p

85、><p>　　所以紋波系數(shù)S=Vmax-Vmin/Vav=0.018。</p><p>　　圖22 C=18μf時的輸出電壓波形</p><p>　　圖23 C=18μF時輸出電壓穩(wěn)定后的紋波波形</p><p>　　根據(jù)示波器顯示的數(shù)據(jù)，圖23中，Vmax=46.348V，Vmin=45.008kV。</p><p>　

86、　所以紋波系數(shù)S=Vmax-Vmin/Vav=0.008。</p><p>　　將圖15，圖20，圖21三圖以及其紋波系數(shù)進行對比，我們可以得出結論，即，如果增大電容量，將增大輸出并減小紋波，但都達不到變壓器輸出幅值的5倍。</p><p>　　4.2.3倍壓電路電容、高壓硅堆與電阻的選取</p><p>　　電容器的容量和測量電阻應取較大值，才能獲得較穩(wěn)定的直流輸

87、出。取測量電阻Ro為300MΩ，顯示電阻R為3MΩ，由于該電源的紋波系數(shù)S≤3%，可以得出</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=（F）</b></p><p>　　根據(jù)市場情況，取C＝6μF，耐壓40kV；硅堆主要技術參數(shù)為：額定整流電流0.5A；額定反峰值電壓30kV。</p>

88、;<p>　　由于該倍壓電路的電壓與頻率都比較高，因此對二極管有著較嚴格的要求。在本設計中選用了TJ系列二極管，它能承受30kV的峰值反向工作電壓與35kV的非峰值反向工作電壓，以及0.5A的平均正向電流[27]，反向恢復時間為100ns，完全可以滿足本設計的要求。</p><p>　　4.3 串級高壓整流電路的結構設計</p><p>　　五倍串級高壓整流電路它由脈沖變壓器

89、輸出端作為輸入端，輸出端接分壓器可用于連接示波器進行電壓顯示。設計專用的連接結構，將電容器和硅堆剛性地聯(lián)結在一起，既解決支撐問題，又解決絕緣問題，為防止沿面放電和局部放電，在連接器內填充高壓硅脂以排除空氣，在連接器與器件、導線交接處涂覆絕緣硅橡膠以密封，并將整個電路封裝在有機玻璃盒中，實現(xiàn)與箱體及其它零部件間的隔離，提高使用安全性。</p><p><b>　　5 總結</b></p&

90、gt;<p>　　本文討論和研究了高壓直流電源的組成及其原理，直流高壓電源由整流電路，穩(wěn)壓電路，振蕩逆變電路與倍壓電路組成，并對各電路進行分析與設計。在此基礎上進行了對輸出電壓的仿真，并得出結論：可以通過提高電壓的頻率來減少電壓穩(wěn)定所需要的時間；通過提高倍壓電路的電容大小，能有效的減小輸出電壓的紋波系數(shù)。最后完成了本課題設計。</p><p><b>　　參考文獻</b><

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103、控高壓電源的研究》[M].高壓技術，1994，12.</p><p>　　[32]Chiasson J，Vairamohan B. Estimating the state of Charge of a Battery[C].AMER CONTR CONF， 2003， 2863-2868.</p><p>　　[33]Pang S， Farrell J， Du J， Barth M. B

104、attery state-of-charge estimation[C]， Proceedings of the American Control Conference， 2001， 1644-1649.</p><p>　　[34]李紹敏.《精密基準電壓源LM399系列》[J].國外電子元器件，1996，(08):121-126.</p><p><b>　　致謝</b&

105、gt;</p><p>　　值此本科學位論文完成之際，首先要感謝我的導師XX教授。陳老師從一開始的論文方向的選定，到最后的整篇文論的完成，都非常耐心的對我進行指導。給我提供了大量建議，告訴我應該注意的細節(jié)問題，細心的給我指出錯誤。他對該課題深刻的見解，使我受益匪淺。陳老師一絲不茍的工作態(tài)度，嚴肅認真的治學風格給我留下深刻的影響，值得我永遠學習。在此，謹向導師陳煒峰老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！</p>

106、;<p>　　再此我還要感謝班級幾位同學對我的幫助和支持，我才能克服一個個的困難和疑惑，直至本論文的順利完成。在此請接受我誠摯的謝意！</p><p>　　同時我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們。</p><p>　　為期三個月的畢業(yè)設計已經(jīng)結束，回顧這段時光感覺收益頗豐。</p><p>　　最后我要感謝百忙之中抽出時間審閱此文的專家！&l

107、t;/p><p>　　The Design of 50kV High Voltage DC Power</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　An adjustable 50kV high voltage DC power is designed. It is generated with AC-DC-AC-DC

108、 transformation technology. This power mainly makes up of DC regulate power， voltage regulator circuit， oscillation and inverter circuit and voltage-multiplying circuit. The electricity(the 220V commercial power) may con

109、verted into high voltage DC power by step-down， rectifier， regulator， inverter， oscillate，step-up. The adjustable power may raise up to 50kV，which ripple factor≤ 5%.Finally the structural of the</p><p>　　Key