直流高壓電源束流調(diào)節(jié)保護(hù)電路研究

周任暉 孟德川 李俊霖 申子鉞 鄧玉福

（1.沈陽師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 遼寧省沈陽市 110034）

（2.遼寧儀表研究所有限責(zé)任公司 遼寧省丹東市 118002）

（3.沈陽師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 遼寧省沈陽市 110034）

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，高壓電源已經(jīng)滲透到生活的各個(gè)方面，在醫(yī)療、軍事、科學(xué)、農(nóng)業(yè)等越來越多的領(lǐng)域占據(jù)著重要地位[1]。如今，高壓電源正朝著體積更小、開關(guān)速度更快、集成度更高、智能化的方向發(fā)展，在高壓電源不斷優(yōu)化的過程中，需要更多的安全保護(hù)措施來提升電源的可靠性能。高壓電源加載工作時(shí)，由于誤操作或放電等原因，會(huì)導(dǎo)致過壓過流現(xiàn)象擊穿元器件、損壞電源等一系列危險(xiǎn)情況發(fā)生。因此，高壓電源系統(tǒng)中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)十分重要。

本文針對直流高壓電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種束流調(diào)節(jié)保護(hù)電路，當(dāng)取樣信號(hào)超過設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路及時(shí)切斷束流調(diào)節(jié)器信號(hào)源，儀器停止工作，確保整機(jī)系統(tǒng)安全。整個(gè)保護(hù)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本低便于維護(hù)，保護(hù)閾值參數(shù)可任意調(diào)節(jié)，具有很好的適用性和可靠性。

1 高壓電源結(jié)構(gòu)

高壓電源由輔助單元，逆變電路，高頻升壓器，倍壓整流器，控制單元等主要部分組成，高壓電源整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：高壓電源整體結(jié)構(gòu)圖

輔助單元的直流電壓，經(jīng)逆變電路、高頻升壓、倍壓整流后得到所需直流高壓。輔助單元是利用外部設(shè)備提供穩(wěn)定高效的直流電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作[2]；逆變電路是將直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成高頻交流信號(hào)；倍壓整流電路主要功能是將升壓的高頻高壓信號(hào)再次升壓到預(yù)期輸出電壓值的同時(shí)得到更加穩(wěn)定的直流電壓[3]；控制單元中的保護(hù)電路在系統(tǒng)工作過程中扮演相當(dāng)重要的角色，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)故障時(shí)，能夠使系統(tǒng)立即停止工作從而保護(hù)高壓電源本身和負(fù)載，是高壓電源實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出功能的重要組成部分[4]。

2 束流調(diào)節(jié)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

2.1 電路工作原理

保護(hù)電路整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。束流信號(hào)Us 經(jīng)過運(yùn)放A1、B1 進(jìn)入比較器B2 中，當(dāng)輸出電壓U2 超過保護(hù)閾值電壓U3 時(shí)，保護(hù)電路產(chǎn)生過流信號(hào)，觸發(fā)可控硅，繼電器工作，立即切斷束流調(diào)節(jié)器輸出，儀器停止工作，確保整機(jī)系統(tǒng)安全。

圖2：保護(hù)電路整體結(jié)構(gòu)圖

束流采樣電路如圖3所示[5]，通過采樣電阻，獲取相應(yīng)的束流信號(hào)Us。

圖3：采樣電路

2.1.1 正常工作狀態(tài)

保護(hù)電路工作原理如圖4所示。正常工作情況下，束流信號(hào)為0-10V。選取220V 轉(zhuǎn)6V 變壓器，將整流濾波電路得到輸出電壓Uo 作為吸收比較保護(hù)閾值。

圖4：保護(hù)電路原理圖

整流輸出電壓Uo 滿足[6]：

其中，Um為，帶入（1）式，得到U0=7.6V。

當(dāng)Uo>Us 時(shí)，D3 不導(dǎo)通。Q 點(diǎn)電位小于壓敏電阻R7 的工作電壓，運(yùn)放A1 輸出電壓U1 滿足：

運(yùn)放B1 輸出電壓U2 滿足：

此時(shí)，比較器B2 輸出電壓U2 小于保護(hù)閾值電壓U3，電路不會(huì)產(chǎn)生過流信號(hào)。

2.1.2 保護(hù)工作狀態(tài)

出現(xiàn)強(qiáng)干擾時(shí)，Us>Uo，D3 導(dǎo)通，大電容C2 對強(qiáng)干擾有很強(qiáng)的吸收抑制作用，有效地抑制了Us 的上升速率[7]。強(qiáng)干擾消失后，R6 為C2 的放電電阻。同時(shí)，當(dāng)強(qiáng)干擾導(dǎo)致Us 達(dá)到壓敏電阻R7 的工作電壓時(shí)，R7所在回路導(dǎo)通，Q 點(diǎn)電位被鉗位在R7 工作點(diǎn)電壓，壓敏電阻對電路起到穩(wěn)壓保護(hù)的作用。

運(yùn)放A1 為正負(fù)12V 雙電源供電，B1 為12V 電源供電。當(dāng)輸入電壓超過運(yùn)放的最大電壓時(shí)，運(yùn)放正負(fù)兩端會(huì)產(chǎn)生巨大壓差導(dǎo)致其受到損壞，故加入二極管D1、D2 構(gòu)成的限幅電路保證運(yùn)放安全工作[8]。此時(shí)，D1、D2 導(dǎo)通，H 點(diǎn)電壓被鉗位于二極管正向壓降。比較器B2 輸出電壓U2>U3，電路產(chǎn)生過流信號(hào)，繼電器線圈吸合，接入束流調(diào)節(jié)器的常閉觸點(diǎn)斷開，快速切斷電源避免高壓放電進(jìn)一步加激。

2.2 強(qiáng)干擾抑制仿真

利用MATLAB 軟件仿真研究C2 不同容值對Us 的抑制效果，仿真電路圖如圖5所示。

圖5：強(qiáng)干擾抑制仿真電路圖

在MATLAB 仿真電路中，將示波器接在R6 兩端，R6 兩端電壓隨時(shí)間變化。C2 電容值為1000uF 與6000uF時(shí)，在10s的設(shè)定時(shí)間內(nèi)R6兩端電壓上升的快慢。從圖中可以看出，大容量電容對強(qiáng)干擾Us 有更好的抑制效果。改變電容大小，測得不同電容值下Us 的上升時(shí)間與上升速率，見表1。

表1：不同電容值下Us 的上升時(shí)間與速率

根據(jù)表1 可知，隨著電容值的增大，Us 的上升速率得到了有效的抑制。在電解電容的選取上，除了要考慮其對強(qiáng)干擾的抑制作用，還要考慮體積問題，容量越大的電解電容體積也越大。在頻率較高的電路中，電容體積大的話，存在的寄生電容也就越大，這會(huì)影響到電路的穩(wěn)定性。綜合上述考慮，具體電路中選取四個(gè)3300uF 的電解電容。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過改變保護(hù)閾值電壓U3 的大小，可對不同的束流值實(shí)現(xiàn)保護(hù)，通過進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測試電路穩(wěn)定性。束流保護(hù)點(diǎn)測試見表2、表3 和表4，其中，P 點(diǎn)電位表示電阻R6 兩端電壓，Q 點(diǎn)電位為壓敏電阻R7 兩端電壓，H 點(diǎn)電位為運(yùn)放A1 反向輸入端電壓。

表2：束流保護(hù)點(diǎn)測試（U3=7V）

表3：束流保護(hù)點(diǎn)測試（U3=8V）

表4：束流保護(hù)點(diǎn)測試（U3=9V）

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著Us 的增大，P 點(diǎn)電位先減小后增大，當(dāng)Us 大于壓敏電阻R7 的工作電壓（18V）時(shí)，Q 點(diǎn)電位不會(huì)再隨著束流值的增大而增大。當(dāng)Us 小于運(yùn)放最大電壓（10V）時(shí)，H 點(diǎn)電位為0，當(dāng)Us 超過運(yùn)放最大電壓時(shí)，二極管限幅電路工作，H 點(diǎn)電位被鉗位于二極管導(dǎo)通時(shí)的正向壓降。

綜上所述，由壓敏電阻、二極管限幅電路、運(yùn)放電路以及比較器電路等組成的保護(hù)電路，較好地實(shí)現(xiàn)了束流調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，且電路穩(wěn)定重復(fù)性好，靈敏可靠。

4 結(jié)論

本文針對直流高壓電源，設(shè)計(jì)了束流調(diào)節(jié)保護(hù)電路，保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了對強(qiáng)干擾的吸收抑制以及高壓電源的過流保護(hù)。根據(jù)強(qiáng)干擾抑制仿真與實(shí)際應(yīng)用需求選取了吸收電容的最佳值，通過改變保護(hù)閾值，可對不同的束流值實(shí)現(xiàn)保護(hù)。該束流調(diào)節(jié)保護(hù)電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性好，為高壓電源的安全運(yùn)行提供了有效的保障。