研究主要內容包括BUCK電路的分析設計、半橋逆變電路分析設計、倍壓電路的設計，控制電路的設計，并利用PSPICE軟件進行相應各部分的仿真和參數優(yōu)化。
本研究實現的主要性能是：給定輸入電壓是交流220V，要求輸出電壓在范圍0~15KV內大范圍可調，功率為15W，輸出紋波要小于1%。
引言
高壓電源一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達幾萬伏，甚至高達幾十萬伏特或更高。高壓電源廣泛應用于材料改性，金屬冶煉，環(huán)境保護，大功率激光和微波等應用領域。傳統(tǒng)高壓電源采用工頻電源和LC諧振方式，雖然電路簡單，但其體積和重量大，低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意，隨著電力電子的發(fā)展，高頻高壓電源成為發(fā)展的趨勢。
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，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，出現了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。
20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即20Hz的開關頻率結合脈寬調制技術(PWM)在電源領域的應用。到目前為止，電源的頻率已經達到數百 Hz，應用先進的準諧振技術甚至可以達到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結構體積，進而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。
近幾年，隨著電子電力技術的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應用，高頻逆變技術的逐步成熟，出現了高壓開關直流電源，同線性電源相比較高頻開關電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、設計、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。
伴隨著高新技術的逐步應用，新的技術問題也隨之出現，主要表現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。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現了新的技術難點：
?、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;
②大的電壓變化比使變壓器的非線性嚴重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關隔離，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;
③高頻化導致變壓器的趨膚效應增強，使變壓器效率降低。
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。
研究主要內容包括BUCK電路的分析設計、半橋逆變電路分析設計、倍壓電路的設計，以及系統(tǒng)仿真研究。該電路包括輸入整流濾波電路、BUCK預穩(wěn)壓電路、半橋逆變電路、倍壓電路和輸出整流濾波電路。輸入的交流電源經整流濾波電路變?yōu)橹绷?，通過BUCK預穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定，再經過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海缓笸ㄟ^一個倍壓電路將電壓升高，最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。
主電路設計
1)主電路的拓撲結構(圖1)
這里主要介紹了一種基于BUCK調壓的小功率高壓電源。該電源能實現零電流軟開關 (ZCS)，并能方便的調節(jié)輸出電壓，因為利用了高頻變壓器的寄生參數，從而避免了尖峰電壓和電流。該電源的另一個特點是利用倍壓電路代替了傳統(tǒng)的二極管整流電路，減小了高頻變壓器的變比和寄生參數;尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯合策略，即采用Buck可十分方便、靈活地進行電壓調節(jié);采用定頻定寬的逆變電路可利用高頻變壓器的寄生參數實現諧振軟開關。
此外，由于該電源無需利用調節(jié)逆變電路的占空比來調節(jié)電壓，因而可充分利用高頻變壓器的磁性;而且由于其控制電路采用了基于DSP的實時數字PI調解器，因而實現了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。
2) BUCK電路的設計
(1)BUCK電路工作原理，圖2。
當開關S閉合后，輸入電壓 完全加在二極管D的兩端，上正下負，二極管被反偏截止。由于此時電容C的初始電壓為零(Vc=Vo 輸出電壓為零)，電容電壓不能突變，所以輸入電壓完全加在電感L之上，形成經開關S、電感L、電容C和電阻R構成的回路建立起初始電流。隨著開關閉合時間的增加，電感電流逐漸增大，這個電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流，另一部分對電容充電使電容兩端的電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立，在開關S閉合期間電感電流的增量相對較大，而輸出給R的負載電流與電容電壓成正比，故開始階段電容的充電電流最大，電容電壓上升得最快。
當開關S斷開后，由于電感電流不能突變，失去外加激勵趨于下降的電感電流在電感L兩端產生感應左正右負的感應電勢，這一感應電勢將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導通，形成L→C、R→D→L的續(xù)流回路。
開關閉合時電感電流增加，開關斷開時電感電流下降，電容的充、放電電流在一個周期內的平均值等于零，即：在電容充電電流大于零。
(2)主開關管及續(xù)流二極管的選擇
VDMOS管為電壓控制器件，驅動容易，沒有二次擊穿現象，熱穩(wěn)定性好，安全工作區(qū)(SOA)大，開關速度快，開關損耗小，就目前VDMOS管的制造水平，在高頻中小功率范圍，尤其在高電壓小電流或低電壓大電流應用場合，VDMOS管具有很高的性能價格比，值得優(yōu)先選用。本設計Ui
=300V，ILM=1A，功率開關屬于高電壓小電流工作，實際選用的功率場效應管型號是IRF840，其主要參數如下：
最大反壓VDSVDS：500V
連續(xù)工作電流ID：8A
峰值電流IDM：32A
導通電阻Ron：<0.85Ω
開通時間ton：lOns
關斷時間toff：9ns
續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于最大負載電流，耐壓必須大于輸入電壓，且留有余量，此外，另一個根重要的考慮是為減因漏感和引線電感產生的尖峰電壓，續(xù)流二極管宜采用反向恢復時間短，具有軟恢復特性的肖特基二極管(SBD)，實際采用的型號是FR307，其反向電壓為700V，正向額定電流為3A。
(3)仿真波形圖
BUCK電路如圖3所示，電路采用串聯開關降壓式結構，其中Q為功率場效應管MOSFET。ton期間，控制信號使Q導通，電流增大，電感儲能;toff期間，Q關斷，電感電流經續(xù)流二極管D向負載釋放能量。對BUCK部分進行仿真，得到如下波形：
如圖4所示，Buck電路的輸出電壓保持在140V左右，電感電流呈現脈動形狀，在開關閉合時電感電流增加，開關斷開時電感電流下降。開關頻率為100kHz,占空比為45%。
(1)半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路原理圖如圖5所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯的足夠大的電容，兩個電容的聯結點便成為直流電源的中點。負載聯接在直流電源中點和兩個橋臂聯結點之間。
設開關器件V1和V2 的柵極信號在一個周期內各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。當負載為感性時，其工作波形如圖6所示。輸出電壓uo 為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。輸出電流io 波形隨負載情況而異。設t2時刻以前V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)。t2時刻給V1 關斷信號，給V2開通信號，則V1 關斷，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流。當t3時刻t0降為零時，VD2截止，V2開通，io 開始反向。同樣，在t4時刻給V2關斷信號，給V2開通信號后，V2關斷，VD1先導通續(xù)流，t5時刻V1 才開通。各段時間內導通器件的名稱標于圖6的下部。
當V1或V2 為通態(tài)時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量;而當VD1或VD2 為通態(tài)時，負載電流和電壓反向，負載電感中貯藏的能量向直流側反饋，即負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側。反饋回的能量暫時儲存在直流側電容器中。直流側電容器起緩沖這種無功能量的作用。因為二極管VD1、 VD2 是負載向直流側反饋能量的通道，故稱為反饋二極管;又因為VD1和VD2 起著使負載電流連續(xù)的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。
當可控器件是不具有門極可關斷能力的晶閘管時，必須附加強迫換流電路才能正常工作。
半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud /2，且直流側需要兩個電容器串聯，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此，半橋逆變電路常用于幾KW以下的小功率逆變電源。
(2)開關器件的選取
在調壓及逆變電路中，開關器件起著核心的作用。開關器件有很多種，如按功率等級來分類，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等：按制造材料分類有鍺管、硅管等;按導電機理分類有雙極型器件、單極型器件、混合型器件等;按控制方式來分類，可分為不可控器件、半可控器件和全可控器件三類器件：不可控器件包括整流二極管、快速恢復二極管、肖特基二極管等：半可控器件包括普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等;全可控器件包括功率晶體管(BJT)、功率場效應管功率場效應管(Power MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、
靜電感應晶體管(SIT)、可關斷晶閘管(GTO)、靜電感應晶閘管(SITH)等。在選取開關器件時，主要可從以下五個方面考查電器件的性能特點：①導通壓降，②運行頻率，③器件容量，④耐沖擊能力，⑤可靠性。
在本系統(tǒng)中，需要全控性的(能夠自關斷)開關器件，IGBT是具有功率MOSFET高速開關特性和雙極晶體管的低導通電壓特性的兩者優(yōu)點并存的電力半導體器件，可以高速開關、耐高壓和大電流，所以本設計選取MOSFET作為開關器件。
(3)主要參數計算及仿真波形
一般輸出公率500W以下時，考慮采用半橋仿真逆變電路如圖7所示。
仿真波形如圖8所示，兩個MOSFET受給定的脈沖信號控制，一個開通一個關斷，并且有一段死區(qū)時間，經過半橋逆變電路后，輸出給高頻變壓器的電壓為交流70V左右。
3)高頻變壓器的設計
高壓電源高頻化的優(yōu)點是裝置小型化，系統(tǒng)的動態(tài)反應快;電源裝置效率高;有效抑制環(huán)境噪聲污染。但高壓電源高頻化發(fā)展的阻礙主要體現在高頻高壓變壓器上，其主要問題是：一、高頻變壓器體積減小，但絕緣問題突出。二、電壓輸出高則變壓器的變比較高，而大變比必然使變壓器的非線性嚴重，使其漏感和分布電容大大增加。
圖9為高頻高壓變壓器等效電路簡化模型，它由漏感LD、副邊分布電容Cp 和理想變壓器組成。漏感同樣時工作于高頻fs下的感抗較工頻下增加fs /50倍，嚴重限制了功率輸出;分布電容相同時高頻下的容抗較工頻下減小至50/fs ，導致空載電流大，功率因數低，空載發(fā)熱問題突出。對上述問題的處理方法是變壓器真空浸油處理(受實驗條件所限，本設計并未采用)，并采用大磁芯保證足夠的絕緣距離，以減小分布電容Cp及其影響，但Cp減小必使LD 增加。
4)倍壓電路的設計
(1)倍壓電路
本設計在升壓變壓器輸出后采用了倍壓電路二次升壓，這樣可以減小變壓器的體積，提高效率。倍壓整流不僅可以將交流電轉換成直流電(整流)，而且不需要再增加濾波電容。它能夠在一定的電壓之下，得到高出若干倍的直流電壓(倍壓)。只要倍壓電路中使用電容的總體積不是很大，就可以減小整個電源設備的體積。
現就圖10所示四倍壓整流電路進行分析。在分析過程中，均假設各電容的充電速度遠大于放電速度，并將導通的二極管用短路線來代替。
開始工作后，在第一周期的正半周，電壓u經二極管VD1給電容C1充電到um，在負半周u與C1 上的電壓串聯起來給C2 充電。在下一周期的正半周，電壓u在給C1充電的同時，由于VD1已導通，C3 上尚無電壓，故C3將通過VD1、VD3向C3充電;在負半周，u與C1在向C2充電的同時C3也向尚無電壓的C4 充電。四倍壓電路在這個周期正、負半周的工作過程如圖11所示。
由此可看出，在這種倍壓整流電路中其能量是由前向后逐步傳遞的，每過半個周期便向后傳遞一步。四倍壓整流電路經過4個半周期，即兩個周期就有一部分能量傳到最后的電容C4 上。在以后的各周期中，正半周重復圖11(a)的過程，負半周重復圖11(b)的過程。經過若于個周期后，除電容C1 上的電壓為um外，其余電容上的電壓均為2um 。負載RL上得到的電壓為C2、C4上電壓之和即4um 。以此類推，對于四級級(八倍壓)整流電路，也可以得到相同的結論。本設計所用的八倍壓整流電路如圖12所示：
(2)仿真波形
由高頻變壓器輸入給倍壓電路的交流電壓大約2千伏，經八倍壓整流電路的倍壓整流，最后輸出直流電壓可達15千伏左右。如下圖是將半橋逆變電路，高頻變壓器，倍壓電路一起進行的仿真實現電路。如圖13。
如圖14所示，輸入高頻變壓器的電壓為交流70V，通過變比為30的高頻變壓器輸出電壓升高為2kV左右，再通過八倍壓整流電路，最后輸出電壓15kV左右。
控制電路
按常規(guī)閉環(huán)設計思想，閉環(huán)的反饋電壓應取自輸出電壓，但課題中高壓電源的輸出電壓高達15KV，那么，當反饋電壓取自輸出電壓時，這勢必對采樣隔離電路提出較高的絕緣要求，在實際中會難于實現，也會增加電源的制作成本?？紤]到以上情況，課題中的閉環(huán)設計的采樣電壓取自BUCK電路的輸出電壓。
根據經驗選取，PI調節(jié)器的運算放大器選用LM7131B/NS,比較器選用LM339。R1=20K，R2 =100K，C=5n。
PSPICE中閉環(huán)電路原理圖，如圖15所示。
通過PSPICE仿真得到如圖16波形：
如圖所示，當基準電壓Vref=-2V時，輸出直流12V左右，當基準電壓Vref =-2.5V時，輸出直流電壓15V左右，可見通過調節(jié)基準電壓Vref 的值，可以實現本設計0-15KV大范圍可調。如圖可見，電壓閉環(huán)驅動控制下輸出電壓的波形符合設計技術參數要求。
由前面波形可以看出，閉環(huán)電路可以正常工作，在加輸入擾動后可以基本實現調節(jié)的無凈差。到此基本完成課題設計中高壓電源的原理設計，下面給出實際電路中的芯片控制驅動。
結論
本文介紹的一種基于BUCK調壓的小功率高壓電源，其特點是：①采用了倍壓電路，減小了變壓器的變比，使其在工藝和制造上成為可能，并且能夠在一定條件下實現零電流軟開關，從而大大減小了開關損耗;②該電源可以工作在110V、220V不同電壓下，因為開拓了國內外市場;③該拓撲結構簡單，易于實現;④該電源利用了DSP，實現了數字PI的實時控制，因而能良好的工作且實現遠程通信。
課題設計主要在PSPICE軟件中完成，首先分析了高壓電源系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的基本工作原理和仿真優(yōu)化，其次，在開環(huán)設計的基礎上進行了系統(tǒng)的閉環(huán)設計，調節(jié)電路各個參數使閉環(huán)系統(tǒng)的各項指標均達到要求，并且在存在擾動的情況下可以實現閉環(huán)系統(tǒng)的無凈差調節(jié)。
通過課題高壓電源的設計過程，可以得到以下結論：
?、籴槍ο到y(tǒng)要求輸出電壓為0-15KV，且輸出功率為15W的情況，選用BUCK調壓電路與橋式逆變電路相組合得到高頻脈沖電壓，后經過高頻變壓器和倍壓電路完成升壓和整流作用。
?、贐UCK閉環(huán)環(huán)節(jié)使用光電耦合器HCNR201進行電壓采樣隔離，MOSFET的隔離驅動使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保證驅動電路工作的有效性和安全性。
?、勰孀冸娐返目刂齐娐酚尚酒琒G3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了過壓保護、過流保護、軟啟動、欠電壓鎖定、擊穿短路保護等功能保證控制信號的準確性。SG3525輸出的PWM信號通過兩片IR2110后驅動逆變電路的兩個橋臂，這保證了驅動信號間的死去時間，防止橋臂的直通現象。
?、茈娐吩O計中擯棄傳統(tǒng)工頻變壓器升壓模式，而采用高頻變壓器和倍壓電路共同完成升壓作用，在減小系統(tǒng)體積上有突出作用。
