高壓開關電源開環(huán)與閉環(huán)特性比較

姜　靜,潘琳琳,李宏達,車　龍,趙紅陽,尹　伯

(1.沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110168；3.清華大學 機械系，北京 100084)

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高壓開關電源開環(huán)與閉環(huán)特性比較

姜靜1,潘琳琳1,李宏達2,3,車龍2,趙紅陽2,尹伯1

(1.沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110168；3.清華大學 機械系，北京 100084)

現(xiàn)研制出緊湊型重復頻率的高壓開關電源，該電源具有體積小、成本低等優(yōu)點，設計指標是在70 kΩ負載阻抗上上升沿600 ns，半脈寬1.5 μs，輸出瞬時電壓峰值30～210 kV可調且電壓正負可轉換。采用Matlab/Simulink軟件仿真和實驗驗證高壓開關電源開環(huán)性能指標，針對開環(huán)輸出電壓難以保持穩(wěn)定，且難以使開關電極穩(wěn)定觸發(fā)的缺點，加入反饋構成閉環(huán)系統(tǒng)并利用Pspice軟件仿真，可獲得穩(wěn)定輸出電壓154 kV，達到穩(wěn)定時間20 μs。通過對高壓開關電源開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的計算機仿真結果比較，可得加入反饋系統(tǒng)的高壓開關電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

高壓開關電源；開環(huán)；反饋系統(tǒng)；閉環(huán)；穩(wěn)壓

隨著高功率、長壽命、高重復頻率脈沖功率技術的不斷發(fā)展，對開關電源的技術要求也越來越高，進而推動了開關技術的發(fā)展[1-3]。國外開關電源的發(fā)展起源于20世紀50年代，美國宇航局為搭載火箭開發(fā)了第一個開關電源，該電源具有體積小、重量輕等優(yōu)點，從此開關電源的發(fā)展向小型化、模塊化等方向發(fā)展[4-6]。與國外發(fā)展情況相比，國內開關電源技術起步比較晚、技術相對落后，國外品牌占據(jù)了模塊電源市場很大一部分，我國從80 年代開始就對高頻高壓開關電源進行整體研究，經過近30多年的努力，目前已經取得了一定的進展，相關產品相繼問世[7-11]。本文研制出一臺緊湊型、重復頻率的高壓開關電源，該電源具有體積小、成本低、輸出電壓瞬時峰值較大等優(yōu)點，由于研制的高壓開關電源具有開環(huán)特性，不能滿足開關電極穩(wěn)定觸發(fā)要求，所以加入反饋系統(tǒng)構成閉環(huán)結構，從而達到穩(wěn)壓目的，使得開關電極能夠穩(wěn)定觸發(fā)。

1　高壓開關電源開環(huán)系統(tǒng)

1.1高壓開關電源開環(huán)系統(tǒng)組成

高壓開關電源開環(huán)系統(tǒng)組成實物圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由6部分組成，分別是觸發(fā)脈沖電源控制部分、觸發(fā)脈沖電源信號形成部分、AC-DC電源部分、傳輸線部分、脈沖變壓器部分、負載部分。其中觸發(fā)脈沖電源信號形成部分由6個場效應晶體管組成(5個場效應晶體管并聯(lián)在電路中控制低壓輸出，一個串聯(lián)在電路中控制高壓輸出)，可大幅減少觸發(fā)時刻的漂移；傳輸線部分采用雙絞線結構，用于傳輸脈沖變壓器的次級脈沖電壓到高壓輸出單元，抵御外界電磁波干擾；脈沖變壓器部分由磁開關和變壓器兩部分組成，其作用是將高壓脈沖電源產生電壓放大到所需要的高壓；負載部分實際上相當于電容分壓器(由電容與電阻并聯(lián)在各自串聯(lián)得到)，分壓比為1∶100，目的是測試高壓開關電源開環(huán)輸出特性。

圖1　高壓開關電源系統(tǒng)實物圖

1.2高壓開關電源開環(huán)仿真

為了對上述高壓開關電源在開環(huán)情況下工作性能進行研究，采用Matlab/Simulink軟件對其進行建模，得到如圖2所示的高壓開關電源開環(huán)電路仿真模型圖。根據(jù)給出的高壓開關電源開環(huán)電路圖進行計算機仿真，得到如圖3所示給定正脈沖條件下的輸出電壓波形，從圖中當可知，當高壓開關電源仿真為8 μs時輸出電壓為84 kV，電壓上升沿為500 ns，半脈寬為2.4 μs。從而可知，高壓開關電源在開環(huán)情況下輸出電壓峰值30 ～210 kV可調且電壓正負可轉換，但輸出電壓穩(wěn)定性差，這樣不利于高壓開關電源對開關電極穩(wěn)定觸發(fā)。

圖2　高壓開關電源開環(huán)電路仿真模型圖

圖3　正脈沖條件下的輸出電壓波形

1.3高壓開關電源開環(huán)實驗

為驗證高壓開關電源開環(huán)仿真結果，現(xiàn)以罐體、數(shù)字示波器、高壓開關電源、傳輸線、變壓器等器件搭建高壓開關電源系統(tǒng)測試實物連接圖，如圖4所示。將開關電極放入充有純SF6氣體的密封罐體內，并將電極兩端與高壓開關電源正負極相連接，啟動開關后高壓開關電源向電極充電，通過自耦變壓器改變輸入電壓大小進而使得開關電極擊穿，從而得到瞬時輸出電壓實驗波形如圖5所示。其中衰減器的衰減倍數(shù)為60 dB，從圖中可知高壓開關電源在給定負脈沖的情況下，仿真時間為4 μs時輸出瞬時電壓峰值為-100 kV，系統(tǒng)上升沿為560 ns，半脈寬為1.4 μs。雖實驗與仿真結果基本一致且與給定性能指標相接近，但其輸出電壓在持續(xù)時間內難以保持穩(wěn)定，這不利于高壓開關電源對電極穩(wěn)定觸發(fā)，還有待改善。

圖4　高壓開關電源系統(tǒng)測試實物連接圖

圖5　瞬時輸出電壓實驗波形圖

2　高壓開關電源閉環(huán)系統(tǒng)

2.1高壓開關電源閉環(huán)系統(tǒng)組成

為彌補高壓開關電源開環(huán)系統(tǒng)的上述缺點，能使輸出電壓在一段時間內穩(wěn)定在某電壓值上，對研制的高壓開關電源增加反饋系統(tǒng)，從而達到穩(wěn)壓效果。反饋系統(tǒng)主要由兩大部分組成。

第一部分加入光電耦合器。一般的高壓開關電源反饋部分可直接使用輸出電壓分壓經過PWM控制器來調節(jié)電壓，此種做法雖電路簡單，但輸入電壓與輸出電壓共地，不僅容易發(fā)生危險，而且電源在高速工作時容易產生電磁干擾，綜合各方面因素考慮此種方法不可行，因此在電源反饋部分加入光電耦合器。光電耦合器一般有線性和非線性兩種類別，在實際應用中一般選用線性光電耦合器，因為線性光耦可傳輸電信號并隨其信號的變化而產生相對應的光信號，從而達到隔離目的。

第二部分加入PWM控制器。PWM控制器是高壓開關電源閉環(huán)控制的核心，其能產生脈沖寬度可調且頻率固定的驅動信號來控制MOSFET的通斷，進而調節(jié)輸出電壓的高低，從而達到穩(wěn)壓目的。PWM控制器有電壓型控制器和電流型控制器兩種，本文采用電流型控制器，其是在電壓型控制器的基礎之上加入電流環(huán)，當誤差電壓信號輸入到PWM比較器后并不像電壓型控制器那樣與三角波進行比較，而是與一個變化的三角波進行比較，通過改變脈沖寬度來調節(jié)輸出電壓。

2.2高壓開關電源閉環(huán)工作原理及仿真

加入反饋系統(tǒng)的開關電源結構如圖6所示。其工作原理為：首先將220 V、50 Hz交流電經過自耦變壓器輸入到開關電源整流電路中，經過整流濾波電路將其變成直流電壓輸入到電路中，通過MOSFET管的高頻通斷使其成為高頻方波電壓，再經過高頻變壓器的升降壓得到輸出電壓，此時輸出電壓大約為600～800 V，最后經由電容C2、磁開關S、高頻變壓器U3組成高壓輸出單元輸出所需的高壓電；由于某種原因使得輸出電壓降低，則分壓電阻R2上電壓也降低，流經光電耦合器的電壓減小，則減小的誤差電壓信號流入PWM比較器與一個變化的、峰值代表電流電感峰值的三角波信號相比較，使占空比增大，從而增大電壓，起到調節(jié)輸出電壓作用，達到穩(wěn)壓效果。

圖6　加入反饋系統(tǒng)的開關電源結構圖

為驗證高壓開關電源加入反饋系統(tǒng)的穩(wěn)壓情況，采用Pspice仿真軟件對加入穩(wěn)壓系統(tǒng)的高壓開關電源進行仿真。仿真結果如圖7所示。從圖中可知該高壓開關電源的上升沿為600 ns，仿真時間為25 μs，輸出電壓穩(wěn)定在154 kV，且穩(wěn)定時間為20 μs。從而可知，加入反饋系統(tǒng)的高壓開關電源相較于開環(huán)高壓開關電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

圖7　加入反饋系統(tǒng)的仿真波形圖

3　結束語

針對研制出的高壓開關電源開環(huán)性能指標進行仿真與實驗驗證，得出研制出的高壓開關電源在負載阻抗恒定情況下，輸出瞬時電壓峰值在30～210 kV可調且電壓可正負轉換，觀察開環(huán)實驗波形可得知在連續(xù)時間內輸出電壓難以保持恒定；為滿足開關電極穩(wěn)定觸發(fā)特性的要求，對其加入反饋系統(tǒng)并進行仿真，結果表明加入反饋系統(tǒng)的高壓開關電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

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Comparison of Open Loop and Closed Loop Characteristics of the High Voltage Switching Power Supply

JIANG Jing1, PAN Linlin1, LI Hongda2,3, CHE Long2, ZHAO Hongyang2, YIN Bo1

(1.College of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 2.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 3.Mechanical Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A small-size low-cost high voltage switching power supply is developed. An output voltage of 30～210 kV can be adjusted and converted at 70 kΩ and a half width of 1.5 μs. The performance index are verified by matlab/simulink simulation and experiments, and the Pspice simulation is also introduced in view of the difficulty in maintaining the stability of open loop output voltage and the switch electrode of the feedback loop system, thus offering a stable output voltage of 154 kV at a stable time of 20 μs. Computer simulation results show that the high voltage switching power supply with the feedback system has good voltage regulation characteristics.

high voltage switching power supply; open loop; feedback system; closed loop; voltage regulator

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.001

2015-11-19

國家自然科學基金資助項目(51207096)；爆炸科學與技術國家重點實驗室(北京理工)開放基金資助項目(KFJJ13-6M)

姜靜(1973-), 女，副教授。研究方向：復雜系統(tǒng)的建模，優(yōu)化及仿真。

TN86

A

1007-7820(2016)08-001-03