一種直流高壓電源的設計實現

高 文，肖海峰，喬社娟，馬 昭

（西安航空學院 電子工程學院，西安710077）

當今社會，發展日新月異，各行各業對電力供電、電氣設備的依賴程度不斷加大，保證電力系統的正常供電，電氣設備的正常工作，是現實中十分必要的。 在日常維護過程中，檢測電力系統中變壓器、輸電線路和電氣設備的絕緣性能是最簡單快捷的方法。 而在進行絕緣測試時，多數設備儀器基本都需要使用直流高壓電源。 同時成像系統數據采集系統中也通常使用到直流高壓電源。 從應用場景綜合考慮，一種簡潔、方便的直流高壓電源，具有較大市場的需求， 故在此設計實現了一款直流高壓電源。 該電源具有體積小、操作便捷的優點，而且精密可控、寬動態范圍，使用場合豐富，通用性強。

1 系統方案

測量絕緣電阻和成像系統高壓電源多被用作測試源或激勵源，要求具備高電壓、小電流的能力，為此設計了電壓10 kV， 電流2 mA 的直流高壓電源。 設計要求直流高壓電源成本低、控制簡潔、使用方便。 系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖Fig.1 System block diagram

控制器作為系統的核心部分，控制器實現對功率電路的控制和接收反饋信號，實現整個系統的閉環控制，同時對外有通信接口和操作接口，可方便地實現與對外系統或者用戶的對接。

驅動部分在控制電路和主功率拓撲電路之間，驅動部分實現對控制電路輸出的PWM 脈沖進行放大，足以驅動功率電路動作。 它也是電路的主要組成部分，同時也可以在此采取一定的保護措施。

主拓撲電路和升壓變壓器該部分實現了從低電壓到高電壓的轉換，設計時還要充分考慮高電壓設計所帶來的種種問題。

倍壓電路該電路是實現最終高壓直流源的重要部分，倍壓電路的階數選擇、相關器件參數的選擇都將影響到實際的輸出效果。

采樣電路和調理電路它們共同完成輸出量到控制系統的反饋，為系統閉環控制不可缺少的部分。

2 主拓撲電路分析

對于所設計的直流高壓電源，主拓撲電路采用推挽開關電路， 整個系統由主控制器輸出PWM 脈沖，通過驅動電路放大進而對雙管進行開通和關斷控制。 在系統中前段采用驅動電路以及保護電路，由此將驅動功率管實現拓撲工作。 具體的主拓撲電路如圖2 所示。

圖2 主拓撲電路Fig.2 Main topology circuit

如圖所示，主拓撲電路采用推挽開關電路。 電路由互補通斷的開關管Q1，Q2以及升壓變壓器T1組成，后續電路采用倍壓整流電路，因此該部分可以使變壓器體積明顯減小。

T1變壓器原邊繞組作為主拓撲的一部分，副邊繞組受原邊控制升壓輸出， 其主要工作過程如下：當主控制器發出PWM 脈沖經驅動電路后， 高電平到達Q1的基極，控制Q1導通，此時保證Q2基極電平為低，Q2保持關斷；同理，當Q2開通時保持Q1關斷。

3 倍壓電路

由于倍壓電路在變壓器次級回路中的應用，可以將變壓器副邊輸出的電壓值經過倍壓電路后，達到原來電壓值的2 倍、4 倍，甚至8 倍，從而明顯地縮小了變壓器的體積，并且有效地降低了變壓器副邊首末端的電壓差，降低了變壓器副邊繞組線圈的纏繞難度和成本，有效降低了高壓風險[1]。

該設計的最大輸出電壓值為10 kV。 考慮到變壓器本身寄生參數及損耗等問題，系統采用三階六倍壓電路，整個系統輸出可達到10 kV（通過閉環控制實現穩定的電壓輸出），如圖3 所示。

圖3 實際采用的倍壓電路Fig.3 Actual voltage doubling circuit

當變壓器副邊繞組輸出為上端正、 下端負時，變壓器繞組向圖3 所示的上面3 組（2 個電容并聯為1 組）電容進行充電，此時電流的實際流向如圖4所示。

圖4 變壓器副邊繞組上端為正時的電流流向Fig.4 Current flow direction of transformer secondary windings with positive current at the upper end

當變壓器副邊繞組輸出為上端負、 下端正時，變壓器繞組向圖3 所示的下面3 組（2 個電容并聯為1 組）電容進行充電，此時電流的實際流向如圖5所示。

由于原邊推挽電路受控制器控制交替導通，所以副邊倍壓電路重復上述過程，當達到穩定后，圖5中C1，C2組電容兩端電壓為U， 而其余幾組電容兩端電壓都為2U。 因此，當選取下端3 組電容的兩端為輸出端時，輸出電壓為6U。 在此，選取C11-C12電容組的右側為輸出端負，C3-C4電容組的左側為輸出端正。

圖5 變壓器副邊繞組上端為負時的電流流向Fig.5 Current flow direction when the upper end of transformer secondary winding is negative

倍壓電路結構簡單，實現方便，但是倍壓階數對輸出紋波和帶負載時電壓跌落有較大的影響。 設輸出電流為I，每個電容的容量相同為C，開關頻率為f， 電路階數為N （二倍壓為一階）， 則跌落電壓ΔU 和輸出電壓紋波Uripple[2]通常為

在此采用三階六倍壓電路， 負載要求2 mA，選取電容為0.1 μF，開關頻率為10 kHz，則計算的輸出紋波電壓和最大跌落電壓為

在設計中， 整流二極管選擇型號為2CL2FK，VRRM可達到10 kV，完全可以滿足系統的設計要求。而設計使用0.1 μF 電容，2 個并聯可保證輸出帶負載能力，由于高電壓電容容量的大小與價格也緊密相關， 故在設計時也充分考慮了電容的電壓等級、容量和成本等因素。

4 閉環控制

所設計的直流高壓電源可以根據設定輸出達到穩定的輸出電壓。 主要采用的閉環控制方式如圖6 所示。

圖6 系統閉環控制框圖Fig.6 System closed loop control block diagram

整個硬件系統設計有采樣電路和信號調理電路，最終將輸出電壓采樣調理為0～3 V 的電壓信號，送入控制器的AD 端口， 控制器根據反饋的實際輸出電壓進行閉環控制，將實際輸出電壓與設定電壓進行比較， 再根據比較結果調整輸出PWM 脈沖的占空比，以確保輸出電壓的精準和穩定。

通過對實際拓撲及控制策略進行仿真，仿真結果較為理想，具體仿真輸出波形如圖7 所示。

圖7 系統的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the system

5 系統調試及結果

完成整個系統設計后，根據某直流高壓電源項目進行了實物設計與調試，制作了相關電路板。 直流高壓電源的實物照片如圖8 所示。

圖8 高壓直流源系統實物Fig.8 High pressure DC source system

根據項目設計要求，將該系統分為控制驅動板和高壓板。 考慮到整個系統輸出電壓達到10 kV，分開設計有利于產品結構的設計。

在直流高壓電源實物的調試過程中，考慮到整個系統的設計情況， 測試PWM 占空比對真實輸出電壓的影響， 在前期測試記錄數據為開環測試，同時考慮項目后續更高電壓等級電源的設計，因此參數余量都較大。10 kV 測試需要專用的高壓探頭，而實驗室的實際測試采用高精度萬用表串接在負載回路中測量實際電流值，進而計算得出輸出電壓值。具體測量結果見表1， 其中實際測試負載為3 MΩ電阻。

表1 試驗數據記錄Tab.1 Test data record

由表1 實際測試得到的真實數據可知，直流高壓電源的設計完全可滿足最初的設計要求，實現了輸出電壓10 kV，帶負載能力達到2 mA（測試負載為3 MΩ 時可達3 mA）。

6 結語

直流高壓電源的設計，通過主控制器控制輸出PWM 脈沖，經驅動電路、主拓撲電路和倍壓電路后實現高壓電源的輸出；當采用單片機或DSP 等主控制器時， 便于與外部的通信及其他功能的實現，如實現單一的高壓電源模塊也可以采取SG3525 等專用控制芯片。 所設計直流高壓電源硬件電路簡潔、成本低、對外接口少、操作方便，達到了設計要求，滿足了客戶需求。