高穩定度高壓電源的研究與系統特性分析

楊婭姣， 董全林，黨玉杰， 牟洪山(.北京航空航天大學教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京009；.北京有色金屬研究總院，北京009)

高穩定度高壓電源的研究與系統特性分析

楊婭姣1， 董全林1，黨玉杰1， 牟洪山2
(1.北京航空航天大學教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京100191；2.北京有色金屬研究總院，北京100191)

為提高200 kV級透射電子顯微鏡的性能，滿足其分辨率優于0.25 nm的性能指標，要求配備最高輸出電壓為200 kV、穩定度優于2×10－6/min的高穩定度高壓電源。通過研究影響高壓電源穩定度的直接因素，為高穩定度高壓電源的研制提供了理論參考依據。分析了該款高壓電源主電路原理和設計要點。建立了電源閉環穩壓系統的數學模型，分析了系統頻率特性，系統的良好增益裕度為電源的正常運行提供了保障。結合研制經驗提出了改善高壓電源整機性能的措施。

高壓電源；高穩定度；影響因素；穩壓模型；頻率特性

高壓電源是現代電力電子技術的重要研究內容之一，由初期工頻經歷中頻變壓機組，發展到目前25 kHz左右的全控型器件逆變供電，體積和質量大幅降低，整機性能不斷提高，被廣泛應用于電子顯微鏡[1-2]、離子注入機[3]、電子束焊機[4]等靜電裝置中，如在電子顯微鏡領域，高壓電源為電子源發射的電子束提供加速電壓，決定電子速度的大小。由于電鏡中電磁透鏡只能對單一速度的電子理想聚焦、成像，要求輸出高壓具有較高的穩定度，輔助透鏡電子源產生優質的單一波長電子束[2]，開展高穩定度高壓電源的研究，對促進國內帶電粒子裝備的發展具有重要意義。

高穩定度高壓電源一般指穩定度優于10－4，其對電路結

本文研究了一款閉環負反饋高壓電源，采用逆變技術結合線性穩壓原理實現了高壓、高穩定度輸出?；谥麟娐吩恚M一步分析了閉環穩壓系統的頻率特性，研究結果和應用設備的高性能運行表明這款高穩定度高壓電源滿足高穩定度、性能良好、安全可靠的技術要求。

1 高壓電源穩定度影響因素分析

高壓電源輸出穩定度SV指負載電流保持為額定范圍內的任何值，輸入電壓在規定范圍內變化所引起的輸出電壓最大相對變化量[9]，即：

該款高壓電源由前置穩壓電路、時鐘與脈沖分配電路、功率調整電路、基準電壓源、主放大器、變壓器、平衡式倍壓整流電路、高壓紋波濾除電路和高壓取樣電路等部分組成。其主電路采用大閉環負反饋線性穩壓電路，原理如圖1所示：電網電壓通過前置穩壓電路降低電網波動對電源系統的影響，為高壓電源各部分電路提供直流電壓，其各支路輸出電壓穩定度可達10－5。交流逆變發生采用獨立時鐘與脈沖分配電路，隔離工作頻率與供電電壓和負載大小之間的關系。逆變后電壓經變壓器變壓、倍壓整流和濾波后輸出直流高壓。當高壓輸出電壓Uo發生波動時，取樣電路中電流隨之發生變化，引起基準電阻上電壓的波動，其波動反饋至主放大器輸入端，進行誤差比較、差動放大后，推動功率變換電路，從而調節輸出電壓產生反向變化，實現高壓電源的輸出穩定。結合圖1所示，該款高壓電源采用調節基準電壓源Us控制高壓輸出Uo大小的方式，在系統的放大倍數足夠大且誤差放大器輸入阻抗足夠高的條件下，基準電壓與輸出高壓的關系有：

式中：Rs為高壓電源的基準電阻；R為高壓取樣電路的取樣電阻。

圖1　高穩定度高壓電源主電路結構簡圖

對式(2)進行變換，得：

對Uo取全微分，得：

對式(4)歸一化，得：

將式(2)關系代入式(5)，得：

式(6)表明，對于這款高穩定度高壓電源，基準電源、基準電阻和取樣電阻的穩定性是影響高壓電源輸出穩定度的直接因素，其中基準電壓源的穩定度設計至少優于高壓電源一個數量級。

2 各模塊電路組成及原理

2.1基準電壓源

基于上述對高壓電源穩定度影響因素的理論分析結果，除選用精度高的基準電阻和取樣電阻之外，對基準電壓源的研究采用二級電壓放大的方式，結合A/D轉換技術產生基準電壓源的輸出電壓，其結構框圖如圖2所示。

圖2　基準電壓源原理框圖

設計中高精度電壓基準采用Toshiba公司的1SZ53，其溫度補償特性好，|gz|=0.002％/℃，齊納阻抗小、可靠性高，可滿足基準電壓源設計的性能需求。第一級通過采用低電壓放大，對高精度電壓基準進行電氣隔離，避免不同大小的高壓輸出時對1SZ53工作狀態的影響，同時降低第二級放大部分帶來低頻噪聲和漂移干擾。AD調節部分由12位精度的高性能集成芯片AD7541和電流-電壓轉換電路組成，其輸出電壓經第二級反饋放大后輸出0～70 V的基準電壓。在基準電壓源設計中應用AD轉換技術即實現了高低壓隔離，保證了控制精度，又便于人機操作界面數字化控制高壓輸出，提高了電源系統的可靠性、安全性和易操作性。

2.2主放大器

主放大器設計包括誤差放大IC1和差分放大TR1-TR2兩部分，如圖3所示。

圖3　主放大器原理

誤差放大的主要作用為檢測高壓波動和提供系統相位補償。為降低流經取樣電路的非負載電流，要求誤差放大器具有輸入阻抗高、輸入失調電流小、輸入電壓噪聲低等特點。設計中IC1選用集成JFET輸入和標準雙極性晶體管技術的LF356H，具有較高的增益-帶寬積、高共模抑制比、低噪聲和低漂移等優點，有利于提高穩壓系統的動態特性。

差分放大部分將誤差信號進一步放大，具體指IC1輸出端至TR2集電極輸出端。差分放大部分要求晶體管特性匹配，電路可通過設置R7-R9改善電路溫度特性，抑制零點漂移。在實際電路中，考慮到高壓放電、漏電等情況的發生，主放大器中設計了過壓熔斷和輸入、輸出保護等電路結構。

2.3功率變換電路

功率變換電路由大功率晶體管TR3-TR4組成的復合調整管和晶體管TR5-TR7并聯擴流電路構成，如圖4所示。

圖4　功率調整電路原理

為保持工作電流分配均勻，TR5-TR7的發射極串接R14-R15，實現均流放大的自反饋調節。

功率調整電路是電源系統的重要組成部分，其工作性能的穩定直接影響整個系統的可靠運行。實際電路中將發熱量大的并聯擴流電路與復合調整管隔離，置于主插線板上，并配有面積較大的散熱器。

2.4高壓發生電路

高壓發生部分采用變壓器升壓與倍壓電路倍壓相結合的方式，變壓器初級線圈并聯、次級線圈串聯接入平衡式倍壓整流電路，如圖5所示。

圖5　高壓發生電路原理

與基本C-W電路比較，平衡式倍壓整流電路輸出紋波小、電壓穩定度高；與對稱式C-W電路比較，減少了近1/3的高壓元器件，降低了倍壓整流電路的熱噪聲，大大減小了高壓發生器的體積和質量。

2.5高壓紋波濾除和波動取樣電路

高壓紋波濾除電路和高壓波動取樣電路如圖6所示。

為使各個電容器承受相同的電壓，在濾波電容器上分別并聯大電阻R20-R31，實際電路中，同時設計了二極管導通回路，當高壓超出正常范圍時，起到導通保護的作用。

圖6　高壓紋波濾除和取樣電路原理

結合高壓箱內空間結構的設計，高壓波動取樣電路采用12級分壓電路相串聯的方式，R32-R79中每4個取樣電阻構成一級分壓，形成高壓箱內水平方向的等電位面，保證各分壓電阻附近電場的均勻分布，降低噪聲和過電壓的影響，有效防止放電現象的發生。通過與電阻并聯的C40-C87減小分布電容對高壓箱內垂直方向上各級電壓均勻分布的影響，同時調整系統的頻率特性。

3 系統數學模型的建立與特性分析

受環境變化、元器件老化和電網波動等因素影響，穩壓系統的輸入和輸出不可避免地存在不確定性干擾和隨機噪聲。對于這款高增益電源電路，通過建立其穩壓系統的數學模型，進一步分析其系統的穩定性及動態特性。

設G1(s)表示IC1同相輸入端至輸出端的傳遞關系，分析誤差放大器的電路連接方式，有：

設G2(s)表示差分放大部分的電壓傳遞關系，有：

差分放大部分TR2基極接誤差信號ub，TR3基極接地、集電極輸出uc，將這種單端輸入單端輸出方式等效為雙端差模輸入信號ub和共模輸入信號ub/2的疊加[10]，即：

式中：Ad為單端輸出時差分電路的差模放大倍數；Ac為單端輸出時差分電路的共模放大倍數。

根據輸出阻抗與輸入阻抗之間的關系，有：

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

其中：

取工作溫度T=300 K，分析TR2和TR3的靜態工作點，得：

設G3(s)表示功率調整部分的電壓傳遞關系，有：

考慮到TR3-TR7工作于復合管射極輸出狀態，其輸入阻抗大，輸出阻抗小，具有電壓跟隨的特點，故?。?/p>

設G4(s)表示變壓倍壓部分的傳遞關系，當平衡式倍壓整流電路空載且達到穩態輸出時，將其視作線性輸出，有：

式中：B為升壓變壓器變壓比，取值為148；N為平衡式倍壓整流電路的倍壓級數，取值為12。

設G5(s)為紋波濾除電路的傳遞函數，由電阻R19和電容C28-C39之間的濾波關系得：

設F(s)為高壓取樣電路的傳遞函數，即整個閉環穩壓電源系統的反饋環節，分析其負反饋原理有：

將各元器件參數代入，得到高壓電源主電路穩壓系統的結構框圖，如圖7所示。根據圖7，建立開環穩壓系統的數學模型G(s)為：

圖7　高壓電源主電路穩壓系統的結構框圖

應用Matlab軟件包，進行模型編譯，繪制系統幅頻特性曲線和相頻特性曲線，如圖8所示。

圖8　高壓電源開環穩壓系統Bode圖

分析圖8，這款高壓穩壓電源的開環系統在幅頻增益大于零的頻率范圍內，相頻增益曲線穿越－180°的次數為0。分析圖9，穩壓系統的開環幅相曲線不包圍(－1，j0)點，系統在右半平面為開環極點。由Nyquist穩定判據，穩壓系統閉環穩定。根據開環系統Bode圖可知，開環系統相位裕度為88.9°，說明其具有良好的增益裕度，電路頻率補償網絡設計較為理想。系統帶寬約為53 kHz，其幅頻特性曲線在高頻段發生明顯衰減，可以有效抑制高頻噪聲，系統抗干擾能力較強。

4 改善高壓電源性能的若干措施

(1)應用平衡式倍壓整流電路，電路對稱性好，高壓輸出紋波系數小，且使用元器件數量相對較少，可滿足高壓電源高穩定度輸出、小型化發展的需求。

(2)采用屏蔽、間隙保護等結構設計，減少高穩定度高壓電源漏電、放電打火等現象的發生；高壓絕緣部件選用聚酰亞胺絕緣材料，設計關鍵器件屏蔽罩，有效防止電暈現象的發生。

(3)采用20 kHz逆變技術，提高電源供電效率，減小電源質量和體積。

(4)設計圓形高壓箱，提高高壓發生器的耐高氣壓能力和絕緣性能；采用SF6氣體絕緣，增加元器件安裝密度，減小了設備體積且安全環保。

圖9　高壓電源開環穩壓系統Nyquist圖

5 結論

本款200 kV高壓電源，其穩定度達到2×10－6/min，通過分析影響其高壓穩定度的因素，加強了基準電壓源設計。通過建立穩壓系統的數學模型，分析系統的相位裕度為88.9°，系統穩定可靠，且具有較強的抗干擾能力。目前，這款高穩定度高壓電源已應用于TDX-200F1透射電子顯微鏡，其高穩定度輸出電壓滿足了透鏡的高分辨率需求，穩定可靠的系統性能為透鏡的正常運行提供了安全保障。

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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

國家科技支撐計劃(2006BAK03A24)

楊婭姣(1989—)，女，河北省人，碩士研究生，主要研究方向為高穩定高壓電源設計。構、元器件性能、工藝制作及測試條件要求更高。文獻[4]中采用PID算法在閉環系統下實現了70 kV直流高壓電源自穩定調節，其穩定度達10－4/h。文獻[5]建立了基本C-W電路模型，結合實驗和仿真研究了其穩態和動態特性，分析了電路中各參數對電路特性的影響，為電路拓撲結構的優化提供了理論基礎。文獻[6-7]分別應用對稱式和正負雙向式倍壓整流電路，在不同程度上降低了高壓電源的輸出紋波。文獻[8]對一款高壓電源箱的氣體絕緣和充氣工藝進行了研究，提高了電源系統的可靠性。文獻[9]設計了一款高壓測試系統，為有效評估高壓電源的性能提供了保障。