一种电压可调高频高压电源的设计

摘要
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根据设计要求本文设计了一个高频高压电源系统。

首先设计了高频高压电源的主电路，并对主电路中的各个功能模块（BUCK，半桥逆变，CW倍压电路）进行了原理分析和仿真研究，同时对及相应的参数进行计算和设计，对其性能做了优化。

同时重点研究了电源系统的可实现性，及一些关键的实现技术。

设计采用了常规的PI调节的高压电源的控制系统，使输出的纹波达到所规定的要求。

设计了相应的实现电路。

最后本文对所选的控制芯片SG3525，IR2110及光电隔离芯片HCNR201做了原理分析和设计。

设计的同时还对该系统进行了全面的Pspice仿真。

仿真结果表明该设计中的主电路可以满足要求，各部分电路均工作在安全稳定的范围内，控制电路可以达到精确调节输出电压幅值并起到了一定的抑制谐波的作用。

关键词：高频；高压；开关电源；SG3525；
Abstract
According to the design requirements for the high voltage power supply system. First, we make the design of main circuit of high voltage power supply. And make analysis and simulation studies the main circuit of each function module (BUCK, half-bridge converter CW, as the principle of voltage circuit), and take calculationing of corresponding parameters and designing,so the power supply work better.And studied stressly the power supply system , and some realizability key technology. The design of the high voltage power supply take the conventional PI adjust controlling means. Output ripple to meet the specified requirements. We take the design of corresponding implementing circuit.Finally we make principle analysising and designing of the control chips selected SG3525 ,IR2110and photoelectric isolation HCNR201.
The design of this system are also discussed comprehensively the Pspice simulation. The study showed that the design of main circuit can satisfy the requirements, each part is working safety and stability of the circuit and control circuit of the range can achieve precise adjustment output voltage amplitude and played a certain role to restrain the harmonics.
Keywords high frequency ; high voltage ; switch power supply ; SG3525 ;
目录
摘要 (I)
Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)
1.1课题背景 (1)
1.1.1高频高压电源的国内外现状和发展 (2)
1.1.2课题的意义 (4)
1.1.3本文的研究内容和研究方法 (4)
第2章高频高压电源主电路各模块工作原理分析 (6)
2.1高频高压电源主电路总体方案的设计 (6)
2.2主电路各模块原理分析及设计 (6)
2.2.1整流及滤波电路分析设计 (6)
2.2.2Buck斩波电路工作原理分析及设计 (9)
2.2.3半桥逆变电路的工作原理分析及设计 (12)
2.2.4变压器的设计 (14)
2.2.5CW倍压电路工作原理分析及设计 (17)
2.3系统主电路开环仿真 (19)
2.4本章小结 (20)
第3章高频高压电源控制电路的设计 (22)
3.1B UCK电路的模型建立 (22)
3.2控制电路设计 (24)
3.2.1控制信号PWM波的发生 (24)
3.2.2采样的电压的选取 (26)
3.2.3比例积分环节的设计 (26)
3.2.4控制电路 (29)
3.3闭环系统的仿真 (29)
3.4闭环系统的抗干扰性能 (34)
3.5本章小结 (36)
第4章驱动电路及芯片的设计 (37)
4.1SG3525的设计 (37)
4.1.1SG3525功能简介 (37)
4.1.2SG3525参数设计 (38)
4.2驱动芯片IR2110的设计 (39)
4.3光电耦合隔离的设计 (42)
4.4本章小结 (43)
结论 (44)
参考文献 (45)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 课题背景
高频高压电源是相对于工频高压电源和中频高压电源而言的。

高频高压电源是一种高压开关电源，其开关频率大约在50kHz左右，中频在2kHz左右，工频为50/60Hz，高频高压电源由于频率高，变压器可以做得很小。

高频高压电源的优点是：体积小，精度高，动态响应快，技术含量高，随着原材料价格的飞涨和技术发展，高频高压电源在价格上越来越具优势。

实际上工频高压电源在发达国家已经淘汰。

而现在的各式各样的电器产品中所需的电源标准不一，需要对市电进行进一步的变换改善才能使用。

在这些电器中高压直流电源有着很广泛的应用。

为提高电源质量电源变换一般采用高频开关电源转换器，这样不仅可以减小电源的体积而且可以提高电能的转换效率。

随着电子技术的不断发展和元器件工艺水平的提高，国内外电源市场也越来越繁荣。

国内开关电源(SPS)市场前景广阔，各种逆变器、UPS以及500V 以下的中低压电源占主体，而输出电压在1000—5000V的高压电源很少，限制了其应用和发展。

然而高频高压直流电源有着广泛的应用。

高频高压电源广泛地应用于高压电气设备的直流耐压和泄漏试验，工业中通过放电用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等；医学方面用于X光机、CT等大型设备；科研上用于高能物理、等离子体物理；军事上雷达发射器、脉冲点火技术等。

基于各类自然学科的发展，在更多的领域对电能有了更加特殊的要求。

然而在国内的用电粗放，电源仍以工频电为主，由于工频电的种种缺点导致了现代工业很大的浪费。

虽然已有部分先进企业已开始采用高频电源但在国内仍有很大的发展空间。

而与此同时国外都有了比较先进的研究成果，高频高压电源的异军突起，使得其在X射线管，中子发生器，低臭氧发生器，及高压激光电源等方面有了很大的进展。

在高频电源设计中电路拓扑上出现了CW倍压电路，在电力电子器件上出现了一系列的品质优良的产品，推动了整个电源行业的发展。

在控制上出现了DSP控制的连续可调技术，使
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得电源技术与现代计算机成果结合了起来，可达到更加理想的要求。

高压除尘也是这一领域的研究成果，国外在近十年已经开始高效节能中高频电除尘器的研制，上世纪九十年代末，国外瑞典ALSTOM等公司已经将高频开关电源（20-50kHZ）用电除尘器，取代目前国内仍在使用的工频电源（50HZ），丹麦史密斯公司的脉冲激能电除尘器也成功用于水泥厂废气和立磨废气的交货处理。

与工频电源相比，高频开关电源体积小，重量轻，电损耗小。

在产品量产化后，最终可以使其成本低于常规电源。

最重要的是在处理高比电阻粉尘，提高电除尘效率等方面比常规电源性能更优越。

总之在高压电源方面国内外都有着快速的发展，而且这个速度还将持续的进行下去。

开关高频化是一个必然趋势，高频可以使开关电源小型化，使得电源拥有更小的体积，提高了其适应性。

另外高频还意味着节能，节约资源，在电源的小体积化过程中，就可以节约更多的金属资源。

而且可以实现许多常规电源无法达到的电流脉冲指标。

电源工作时由于其工作原理的独特设计可以实现较高的功率因数以达到低能耗，有利于节约电能。

随着各类电器的不断推出对电源有了更加苛刻的要求，但对电源的方向更加明确了，就是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

虽然高频高压电源有如此多的优点，但其成本高限制了其发展空间，特别是在国内，由于国内的需求量还没有达到可以批量生产的条件，因而造价仍然较高，急需在电路拓扑上作相应的研究以达到降低成本，节约能源的目的。

因此本课题的研究具有非常大的实用价值和研究意义。

1.1.1 高频高压电源的国内外现状和发展
在国外，从70年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压；美国GE公司生产的AMx 移动式X光机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。

进入80年代，高压开关电源技术迅速发展，德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高至
第1章绪论
20kHz以上；并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。

近十年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。

突出的表现是频率在不断提高：如Philips公司30kW以下移动式X光机的X射线发生装置频率达30kHz以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHz，98年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功100kHz的x线机发生器。

另外，高压开关电源的功率也在不断地提高，30kW的大功率高压开关电源技术在产品应用中已相当成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如：用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯)；用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流充电电源等。

中频电源技术的发展和电力电子器件、微处理器、控制理论等学科的发展紧密联系在一起。

电力电子器件和控制技术的发展使得更高频成为可能，出现了各种软开关电源。

微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。

近年来，电力电子器件的研究和制造水平取得了突飞猛进的发展，出现了许多新型的电力电子器件和线路，电力电子器件正朝着场控化、高集成化、大容量化、高频化的方向发展。

近年来，TI、MOTOROLA、ADI等公司相继推出了适用于开关电源使用的单片机或DSP芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越。

1955年美国罗耶(GH．Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。

到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技
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术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体(Mn．Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术己成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。

对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。

针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。

1.1.2 课题的意义
研究和开发高频高压开关电源，特别是成本较低的开关电源具有很强的实用意义，不但丰富了现在市场上开关电源的品种，而且符合节约能源，可持续发展的理念，对缓解现在正在面临的能源危机具有一定的积极作用。

同时这个理念与科技发展势头也是未来能源经济的潜在能量，具有很大的商机。

1.1.3 本文的研究内容和研究方法
本文针对高频高压电源的实现为基础，以实现输出电压可调为目的对高频高压电源的主电路及控制电路进行了设计，使之输出稳定符合要求，调节方便快捷。

并设计了简单的保护电路，初步保障了系统及设备的安全。

对于高压电源不同电压值的需要，本课题研究将给出一个连续可调的高压电路的电路拓扑，以适应高压电源的不同应用场合的不同需要。

本文还将对调节界面进行一定的设计及监控，以达到良好的调节目的和简单快捷的调
第1章绪论
节方式。

由于在高电压时须用倍压电路来实现，所以将对倍压电路中将要产生的现象和问题进行解决，并尽可能提高电源高压时的带载能力。

由于电源主要工作在高压场合所以将对此时的电路安全及用电安全进行一定的设计。

由于高压的特殊实现方法，对其产生的纹波问题将给予着重的研究和阐述，此外，对于负载变化时的电压稳定问题及稳压的实现也将着重分析研究。

本文的研究方法：在本文中选通过对高频高压电源的基本工作原理进行一定的分析，同时结合论文要求设计出符合要求的主电路，然后通过PSpice 仿真软件对系统进性能仿真分析。

并通过所得的波形对理论计算数据进行一定的校正，并设计出滤波，整流，保护等控制部分的电路。

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第2章 高频高压电源主电路各模块工作原理分析
2.1 高频高压电源主电路总体方案的设计
由于该设计系统输入为220V 交流，输出为10-15kV 大范围可调直流，并且对输出纹波做出了一定的要求，不难得出中间需设置高频环节，只有高频才能使输出达到理想的纹波要求。

于是在系统中设置了DC-DC 斩波电路，考虑到输出为小功率高压直流电压，所以前级的DC-DC 变换功率亦不是很大，为使其中电感电流连续固采用了降压DC-DC 变换电路（Buck 变换器）。

直流斩波前级为整流电路，此处选用单相桥式整流电路。

后一级的升压环节不能采用直流升压（如单纯选用Boost 升压电路，则占空比非常大，使得输出纹波很大，且过高的电压使得普通的开关难以承受），需逆变成交流矩形脉冲后再进行倍压升压。

逆变选用半桥逆变电路，其与倍压电路之间还需设置变压器，一方面可以达到隔离目的，另一方面可以通过改变原副线圈的匝数比来调整输出电压值。

经简单分析可得出主电路的初步拓扑。

电路框图如图2-1所示。

2.2 主电路各模块原理分析及设计
2.2.1 整流及滤波电路分析设计
由于前一级的整流滤波环节采用的全桥整流电路结构比较简单，所以在这里对全桥整流电路就不多做介绍了。

这里着重分析一下其滤波电路，为了获得更小的纹波，所以在该部分的输出也应该具有更小的纹波系数。

这里本设计采用了L π-形滤波电路。

在介绍L π-形滤波电路之前需要我们熟悉一下以下两种滤波电路，一 图2-1 主电路基本框图
个是我们非常熟悉的并联电容滤波电路，另一个则是串联电感滤波电路。

在熟悉这两种电路时我们用一种近似的计算方法，可以把输出纹波电压看成理想的锯齿波形。

1) 并联电容滤波电路的纹波系数和输出电压
设输出纹波电压峰值为2m E ，纹波峰-峰值为rm V ，交流电源频率为f ，放电时间常数L R C τ=，其中L R 为负载电阻。

则有以下几个公式：
理想的锯齿波有效值：
因此可以得出全桥整流并联电容滤波的输出纹波公式为：
直流输出电压为：
2) 串联电感滤波电路 串联电感滤波电路由电感L 和电容C 组成，其工作原理与并联电容滤2(1/)c m u E t τ=-（2-1） 2/(2)rm m V E f τ=（2-2） （2-3） 2/2
dc m rm V E V =
-/r rm V V =（2-4）
0.144r dc V V f γτ===（2-5） 2[11/(4)]
dc m V E f τ=-（2-6）
图2-2L π-形滤波电路
波电路有所不同。

根据电感电容方面的知识可知，电感所呈现的阻抗随着频率的增加而变大，电容的阻抗与其恰好相反随着频率的增加而降低，此时串联电感滤波电路中的电感和电容构成了一个分压器。

输出电压就是电容上的电压。

由于电感器对直流没有阻碍作用，电容器对直流信号具有无穷大阻抗，因此直流分量将不受影响地完全送到输出端，而对脉动直流中的各次谐波分量，电感器的和电容器将呈现不同的阻抗。

固可得到串联电感滤波电路的输出直流电压公式[1]：
其中r 为电感器直流电阻。

纹波公式为：
分析了以上两种滤波电路以后便可以得出L π-形滤波电路的输出电压和纹波公式：
虽然由公式得出电感越大输出的纹波会越小，但在本系统中电感太大会严重影响系统的调节时间，结合Pspice 仿真得出了各器件的参数。

50L uH =；110C uF =；24000C uF =
此时纹波如图2-3约为：0.3%
γ=
2(2/)[/()]dc m L L V E R R r π=+（2-7） （2-8） 1.2/()LC γ=（2-9） 2[/()]/[11/(4)]dc L L m L V R R r E fR C =++（2-10） 2120.0009/()
L LR C C f γ=
T i m e 4.5V (R 3:2)280.0320.0360.0242.5图2-3 滤波电路仿真波形
2.2.2 Buck 斩波电路工作原理分析及设计
如图2-4所示为Buck 型斩波电路，它由一个开关管S ，二极管D ，电感L ，电容C 和一个负载电阻R 组成。

Buck 斩波电路工作时，开关S 周期性的通断，对输入的电压in V 进行斩
波，由于二极管两端便得到了一个方波电压，经串联电感滤波后其输出端便可得到一个平稳的直流输出电压o V 了。

为方便分析这里设定开关管的占空比为1D ，二极管的占空比为2D ，电
感电流连续时，121D D +=（由于电感电流断续时输出电压纹波较大，固在这里不再多加考虑）。

Buck 电路工作过程分析：当开关管S 闭全时，输入电压in V 加在二极管D 上，此时二极管上正下负处于截止状态。

电感器L 在外加电压in o V V -的激励下电流上升，电感电流一部分为电容器C 进行充电，同时另一部分为负载提供电流。

随着电容的充电过程输出电压o V 随之增加。

当开关管S 断开时，由于电感的激励源由原来的in o V V -变为现在的o V -，电感电流在负激励
电压的作用开始减小。

但此时电感电流产不能改变方向，所以电感产生了左负右正的感应电压。

此电压克服电容器电压的那一部分将加在二极管上，使得二极管正偏导通。

此时负载电流由电容的放电电流和电感电流共同提供。

由于电容的放电作用输出电压开始下降。

当开关管S 再次闭全时将重复上述过程[1]。

Buck 斩波电路从一开始工作到稳定工作有一个动态变化过程，对于该过程这里就不多做解释了，只给出此过程的特点：随着输出电压的不断升高，电感电流的增量将不断变小，电容的充电电流由开始的始终大于零变为时正时负，而总的趋势是输出电压不断的提高。

V 图2-4 Buck 型变换器
Buck 斩波电路稳定工作时电容的充，放电电流在一个周期内的平均值为零，输出电压的平均值保持不变，输出电压存在因电容充，放电形成的脉动成分。

Buck 斩波电路工作在电感电流连续时输出电压符合下式：
由于纹波在负载上的产生的电流变化很小，所以电感电流的波动值就是滤波电容的充，放电电流值，其波动分量将导致电容电压的波动形成输出电压的纹波，由此可以得出电容电压的波动量可以计算如下：
式中L I ∆为电感电流脉动量。

电感电流的增量L I ∆的计算式为：
由式（2-12）和式（2-13）可以得出：
采用纹波的修正定义可以得出以下纹波计算式：
由临界电感的定义知道，当/2L o I I ∆=时电路处于临界状态，由此可以得出临界电感值为：
为了便于计算电感参数采用电感电流相对波动情况δ来计算
（2-11） o in V DV =（2-12） 21111()2228s L L o c s T I I V i dt T C C C ∆∆∆==⨯⨯=⎰（2-13） (1)o o L off s V V I T D T L L ∆==-（2-14） 2(1)8o o s D V V LCf -∆=（2-15）
2(1)8o o s V D V LCf γ∆-==（2-16） (1)2L c s R D L f -=（2-17）
2L L I I δ∆=
δ越小说明电感电流波动越小，输出的电压纹波就越小。

这样便得到了在指定电感电流相对波动情况下的输入电感的计算公式：
可见如果想使电感电流波动小就必须采用在的电感值。

同时还可以得出输出纹波系数γ与电感电流相对波动情况的关系：
由此公式可知，当电感电流波动较小且输出纹波电压较小时所需的滤波
电容器的取值将变大。

（2-18）
(1)
2L s R D L f δ-=（2-19） 4L s R Cf δγ=图2-5 0.8D =时仿真波形
T i m e 30.0m s
40.0m s 50.0m s 60.0m s 70.0m s 80.0m s
90.0m s 100.0m s 110.0m s 120.0m s 130.0m s 22.5m s 140.0m s
V (L 1:2)247.00V
248.00V
249.00V
246.37V
249.53
V 图2-6 Buck 电路电感电流波形
Time I(L2)
这里取0.8δ=，占空比D 在0.50.8之间变化，负载约为700Ω，工作频率为40KHz 。

可以计算出输入电感 5.5L mH =，令0.1%γ=，则可得出滤波电容取值为7.2C uF =。

如图2-5所示为占空比为0.8D =时所得的仿真波形，0.1%γ<其满足设计要求。

此时电感电流如图2-6所示，可以看出电流是连续的，且相对波动值符合要求。

Buck 电路工作状态良好。

2.2.3 半桥逆变电路的工作原理分析及设计
半桥逆变及变压器电路如图2-6所示，半桥逆变电压由两个桥臂组成，第个桥臂由一个开关管和一个反并联的续流二极管组成。

在直流一侧设置了
两个相互串联的电容，于是两个电容的联结点便相当于直流电源的中点，其电路输出为以此点电位为中心的矩形波电压。

来看一下半桥逆变电路的工作原理：开关管1V ，2V 的控制信号在一个周期内均有半周期为正半周期为负，
且两个控制信号是互补的。

当开关管1V 导通而2V 管关断时，电容器1C -变压器原边线圈-开关管1V 构成了一个回路，此时变压器原边线圈承受上负下正的电压，其电压幅值为电容1C 的电压/2d U ，变压器原边电流增加，电能通过变压器耦合到负载侧。

当开关管1V 关断而管2V 导通时，开始的一个瞬间由于变压器线圈的感性作用电流并不能立刻改变方向。

但由于管1V 已经关断，所以电流将通过续流二极管2VD 进行续流，此时二极管2VD -电容2C -变压器原边构成一个回路，变压器副边将电能反馈回直流侧，由于此时开关管2V 已经导通，所以电流在负的电压作用下减小。

当电流减小到零即2VD 截止后电图2-7半桥逆变电路及变压器电路图
U L
流回路为：直流电源-电容1C -变压器原边-开关管2V 。

此时变压器原边线圈
上的电压为上正下负，其幅值为电容2C 的电压值/2d U 但方向和上半个周期相反。

开关管1V 再次开通而2V 截止时，电流开始通过1VD 续流，其余重复上
一过程，至此电路稳定工作重复以上过程[13]。

逆变电路中电容的作用：当续流二极管1VD 或2VD 导通时，负载电流和
电压方向相反，电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即将电感中的无功能量反馈回直流侧，此能量便暂时储存在直流侧电容器中，所以直流侧电容器起着缓冲无功能量的作用。

半桥逆变电路的特点：半桥逆变电路拓扑简单，所使用的器件少，开关管只用了两个。

但也有其缺点：由于采用了两个电容器的分压作用故输出电压仅为直流输入电压的一半，而且两电容串联，不加辅助电路的情况下不可避免的会出现电容电压不均衡，导致输出的交流电压正负幅值不等。

由于设计系统中电源的输出功率很小，所以为克服上述缺点在本文中采可用串接均衡电阻的方法来对电容分压不均衡来予以校正。

电路如图2-7所示。

此处取均衡电阻1R K =Ω。

在实际工作的逆变电路中，由于开关管并不是理想的器件在给定负信号时就能立刻判断，这样在一个开关管还未完全关断，但另一个已经导通，产生这样的情况后果是很严重的，因此需要避免两个桥臂同时导通这一情况。

两开关管直通将会产生很大的电流，开关管很容易烧毁。

为解决这一问题需要在给定一个开关管开通信号和另一个开关管关断图2-8 带均衡电阻的逆变电路
L。