一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

摘要：該文設(shè)計了一種可調(diào)的小功率高壓電源，其主電路拓?fù)浒˙uck模塊、逆變電路、高頻變壓器和倍壓電路。輸入的交流電源經(jīng)整流濾波電路變?yōu)橹绷?，通過BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定，再經(jīng)過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，然后通過一個倍壓電路將電壓升高，最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計、倍壓電路的設(shè)計，控制電路的設(shè)計，并利用PSPICE軟件進(jìn)行相應(yīng)各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化。該研究實現(xiàn)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(nèi)大范圍可調(diào)，功率為15W，輸出紋波要小于1%。

關(guān)鍵詞：直流高壓；Buck；半橋逆變；倍壓電路

中圖分類號：TN-9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）10-2485-03

近幾年，隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應(yīng)用，高頻逆變技術(shù)的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源，同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲能少、設(shè)計、制造周期短。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現(xiàn)了新的技術(shù)難點：1）高頻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(yán)重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關(guān)隔離，否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至?xí)舸┕β势骷?）高頻化導(dǎo)致變壓器的趨膚效應(yīng)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(shè)計是目前研究的一個難點和熱點問題。該文的主要研究內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計、倍壓電路的設(shè)計，以及系統(tǒng)仿真研究。

1 主電路設(shè)計

1.1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這里主要介紹了一種基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源。該電源能實現(xiàn)零電流軟開關(guān)（ZCS），并能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓，因為利用了高頻變壓器的寄生參數(shù)，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(shù)；尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯(lián)合策略，可十分方便、靈活地進(jìn)行電壓調(diào)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(shù)實現(xiàn)諧振軟開關(guān)。

1.2 BUCK電路工作原理

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1/2且直流側(cè)需要兩個電容器串聯(lián)，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 控制電路分析及總結(jié)

通過該文高壓電源的設(shè)計過程，可以得到以下結(jié)論：

1）針對系統(tǒng)要求輸出電壓為0-15KV，且輸出功率為15W的情況，選用BUCK調(diào)壓電路與橋式逆變電路相組合得到高頻脈沖電壓，后經(jīng)過高頻變壓器和倍壓電路完成升壓和整流作用。

2）BUCK閉環(huán)環(huán)節(jié)使用光電耦合器HCNR201進(jìn)行電壓采樣隔離，MOSFET的隔離驅(qū)動使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保證驅(qū)動電路工作的有效性和安全性。

3）逆變電路的控制電路由芯片SG3535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(zhǔn)確性。SG3525輸出的PWM信號通過兩片IR2110后驅(qū)動逆變電路的兩個橋臂，這保證了驅(qū)動信號間的死去時間，防止橋臂的直通現(xiàn)象。

4）電路設(shè)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。

3 調(diào)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹的一種基于BUCK調(diào)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(xiàn)零電流軟開關(guān)，從而大大減小了開關(guān)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(nèi)外市場；3）該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；4）該電源利用了DSP，實現(xiàn)了數(shù)字PI的實時控制，因而能良好的工作且實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

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