基于BUCK调压的小功率高压电源

本文设计了一种可调的小功率高压电源，其主电路拓扑包括Buck模块、逆变电路、高频变压器和倍压电路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压升高，最后整流滤波输出稳定高压。

研究主要容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，控制电路的设计，并利用PSPICE软件进行相应各部分的仿真和参数优化。

本研究实现的主要性能是：给定输入电压是交流220V,要求输出电压在围0~15KV大围可调，功率为15W,输出纹波要小于1%.

0 引言

高压电源一般是指输出电压在五千伏特以上的电源，一般高压电源的输出电压可达几万伏，甚至高达几十万伏特或更高。高压电源广泛应用于材料改性，金属冶炼，环境保护，大功率激光和微波等应用领域。传统高压电源采用工频电源和LC谐振方式，虽然电路简单，但其体积和重量大，低频工作状态以及纹波、稳定性均不能令人满意，随着电力电子的发展，高频高压电源成为发展的趋势。

随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现，并不断地被应用于开关电源，使得开关电源的性能不断提高，特点不断更新，出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。

20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命，即20Hz的开关频率结合脉宽调制技术(PWM)在电源领域的应用。到目前为止，电源的频率已经达到数百Hz,应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。

近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET,IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源。

伴随着高新技术的逐步应用，新的技术问题也随之出现，主要表现在高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点：

①高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出;

②大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件;

③高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。

鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。

研究主要容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，以及系统仿真研究。该电路包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变电路、倍压电路和输出整流滤波电路。输入的

交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压升高，最后整流滤波输出稳定高压。

1 主电路设计

1)主电路的拓扑结构(图1)

这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关(ZCS)，并能方便的调节输出电压，因为利用了高频变压器的寄生参数，从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路，减小了高频变压器的变比和寄生参数;尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略，即采用Buck可十分方便、灵活地进行电压调节;采用定频定宽的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。

此外，由于该电源无需利用调节逆变电路的占空比来调节电压，因而可充分利用高频变压器的磁性;而且由于其控制电路采用了基于DSP的实时数字PI调解器，因而实现了电路的稳态和暂态特性。

2) BUCK电路的设计

(1)BUCK电路工作原理，图2.

当开关S闭合后，输入电压完全加在二极管D的两端，上正下负，二极管被反偏截止。由于此时电容C的初始电压为零(Vc=Vo 输出电压为零)，电容电压不能突变，所以输入电压完全加在电感L之上，形成

经开关S、电感L、电容C和电阻R构成的回路建立起初始电流。随着开关闭合时间的增加，电感电流逐渐增大，这个电感电流中的一部分供给电阻R成为输出电流，另一部分对电容充电使电容两端的电压逐步上升。由于电容电压从零开始建立，在开关S闭合期间电感电流的增量相对较大，而输出给R的负载电流与电容电压成正比，故开始阶段电容的充电电流最大，电容电压上升得最快。

当开关S断开后，由于电感电流不能突变，失去外加激励趋于下降的电感电流在电感L两端产生感应左正右负的感应电势，这一感应电势将克服电容器电压使二极管D承受正偏导通，形成L→C、R→D→L的续流回路。

开关闭合时电感电流增加，开关断开时电感电流下降，电容的充、放电电流在一个周期的平均值等于零，即：在电容充电电流大于零(iL<>

(2)主开关管及续流二极管的选择

VDMOS管为电压控制器件，驱动容易，没有二次击穿现象，热稳定性好，安全工作区(SOA)大，开关速度快，开关损耗小，就目前VDMOS管的制造水平，在高频中小功率围，尤其在高电压小电流或低电压大电流应用场合，VDMOS管具有很高的性能价格比，值得优先选用。本设计Ui

=300V,ILM=1A,功率开关属于高电压小电流工作，实际选用的功率场效应管型号是IRF840,其主要参数如下：

最大反压VDSVDS:500V

连续工作电流ID:8A

峰值电流IDM:32A

导通电阻Ron:<0.85Ω

开通时间ton:lOns

关断时间toff:9ns

续流二极管的正向额定电流必须大于最大负载电流，耐压必须大于输入电压，且留有余量，此外，另一个根重要的考虑是为减因漏感和引线电感产生的尖峰电压，续流二极管宜采用反向恢复时间短，具有软恢复特性的肖特基二极管(SBD)，实际采用的型号是FR307,其反向电压为700V,正向额定电流为3A.

(3)仿真波形图

BUCK电路如图3所示，电路采用串联开关降压式结构，其中Q为功率场效应管MOSFET.ton期间，控制信号使Q导通，电流增大，电感储能;toff期间，Q关断，电感电流经续流二极管D向负载释放能量。对BUCK部分进行仿真，得到如下波形：