300kV小型高壓電源設(shè)計(jì)

叢恩佳 孟德川 鄧玉福

摘 要 高壓開(kāi)關(guān)電源在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛，在醫(yī)療、光學(xué)、工業(yè)射線檢測(cè)和軍事等領(lǐng)域的儀器中更是不可缺少的核心部件。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，人們對(duì)高壓電源的便攜程度、高效性和功率大小提出了更高的要求。本文介紹了一種采用可控硅逆變?cè)恚琍LC智能化控制的高壓開(kāi)關(guān)電源。電源輸出0-300kV連續(xù)可調(diào)，電流0-3mA。該電源具有通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，帶載能力強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】高壓電源 可控硅 PLC

高壓開(kāi)關(guān)電源作為電力電子儀器的核心部件廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、探測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。隨著逆變技術(shù)的發(fā)展，高壓開(kāi)關(guān)電源因其轉(zhuǎn)換效率高、輸出穩(wěn)定、重量輕等多方面優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代傳統(tǒng)線性高壓電源。本文采用PLC控制和可控硅逆變技術(shù)研制出了一種智能化、轉(zhuǎn)換效率高、輸出穩(wěn)定、調(diào)試方便的300kV3mA小型高壓電源。

1 高壓電源主電路工作原理

高壓電源主電路工作原理如圖1所示。電源的工作原理為：供電單元將市電變?yōu)榭烧{(diào)直流電，對(duì)電源各個(gè)部分進(jìn)行供電。功率轉(zhuǎn)換單元將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電。轉(zhuǎn)換的高頻交流電經(jīng)過(guò)變壓器進(jìn)行一次升壓，再通過(guò)倍壓整流電路得到直流高壓后進(jìn)行輸出。采樣單元為電壓采樣電路，將采樣電路采集到的電壓值經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后反饋到PLC控制單元，與設(shè)置電壓相比較，利用PID進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)節(jié)，保證電路正常工作。脈沖控制單元由TL494及周圍器件所組成。功率轉(zhuǎn)換單元由可控硅及其他元件組成，高頻變壓器磁芯材質(zhì)選擇鐵氧體，倍壓整流單元采用半臂逆對(duì)稱式倍壓整流電路。圖2給出的是不同條件下可控硅陽(yáng)極的工作波形。

由TL494及其周圍元件組成的脈沖控制單元產(chǎn)生約30kHz的觸發(fā)脈沖加至可控硅的門極，當(dāng)脈沖電壓為高電平時(shí)，可控硅導(dǎo)通，電流經(jīng)由變壓器初級(jí)線圈通過(guò)可控硅流向地，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍軆?chǔ)存在變壓器中。當(dāng)脈沖電壓為低電平時(shí)，可控硅截止，儲(chǔ)存在初級(jí)線圈中的能量通過(guò)二極管對(duì)電容進(jìn)行充電，這就是一個(gè)完整的高頻振蕩周期。

倍壓整流電路采用半臂逆對(duì)稱式，圖3給出的是倍壓整流電路的原理圖。當(dāng)B為正極、A為負(fù)極時(shí)，即電流從B流向A時(shí)，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電源通過(guò)D1向電容C1充電，在理想的情況下，在此半周內(nèi)，D1可以看成為短路，同時(shí)C1充電達(dá)到Vm電壓值。當(dāng)B為負(fù)極、A為正極時(shí)，即電流從A流向B時(shí)，二極管D1截止、D2導(dǎo)通，電源通過(guò)C1、D1向C2充電，由于C1的Vm再加上變壓器次級(jí)線圈的Vm使C2充電至最高值2Vm。在整個(gè)過(guò)程中，C2的電壓值并無(wú)法在一個(gè)半周內(nèi)立即充至2Vm，它必須在幾個(gè)周期以后才可以漸漸趨近于2Vm。

理想情況下，倍壓整流電路輸出端的電壓為：

2 PLC控制原理

PLC功能全面、實(shí)用性高、組合多樣。其所具有的功能和各種智能單元、擴(kuò)展單元及其特殊功能模塊，可按照各種需要，方便靈活地組成各種不同要求和規(guī)模的控制系統(tǒng)。

PLC設(shè)計(jì)流程如圖4所示，主要包括：高壓PID程序、觸摸屏程序、DA輸出程序、AD采樣程序和保護(hù)程序。系統(tǒng)工作流程如下：首先系統(tǒng)初始化，通過(guò)觸摸屏輸入設(shè)定值，PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算利用DA輸出控制直流可調(diào)穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行輸出，通過(guò)高壓發(fā)生電路得到電壓信號(hào)，在輸出端串聯(lián)采樣電阻進(jìn)行采樣，采到的電壓值通過(guò)隔離器反饋到PLC，PLC將反饋進(jìn)來(lái)的信號(hào)值與設(shè)定值進(jìn)行比較。利用高壓PID算法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的穩(wěn)壓穩(wěn)流控制。當(dāng)反饋信號(hào)值出現(xiàn)異常時(shí)，立即啟動(dòng)保護(hù)程序，使DA輸出強(qiáng)制歸零，可以實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能。

3 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)量電阻為6000MΩ，負(fù)載為100MΩ的條件下，我們對(duì)高壓電源的輸出性能進(jìn)行了測(cè)試，電源輸出特性如圖5所示。

電源的紋波系數(shù)為：

高壓電源輸出連續(xù)可調(diào)，電源的紋波系數(shù)小于0.5%；效率大于85%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研制的高壓開(kāi)關(guān)電源，采用可控硅功率轉(zhuǎn)換電路，PLC智能控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，帶載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。主要性能指標(biāo)如下：

輸出高壓：0-300kV；

輸出電流：0-3mA；

工作效率：85%以上；

工作頻率：30kHz；

紋波系數(shù)：0.5%以下；

將本電源作為X射線分析儀器的供電電源，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，具有智能化程度高、輸出穩(wěn)定可靠、操作方便、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明本文所研制的300kV高壓電源設(shè)計(jì)方案具有較高的實(shí)用價(jià)值。

（通訊作者：鄧玉福）

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作者簡(jiǎn)介

叢恩佳（1992-），男，沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。專業(yè)為粒子物理與原子核物理。主要研究方向?yàn)楦邏洪_(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與研究。

作者單位

沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 遼寧省沈陽(yáng)市 110034