基于BUCK调压的小功率高压电源

真波形

　　一般输出公率500W以下时，考虑采用半桥仿真逆变电路如图7所示。

　　仿真波形如图8所示，两个MOSFET受给定的脉冲信号控制，一个开通一个关断，并且有一段死区时间，经过半桥逆变电路后，输出给高频变压器的电压为交流70V左右。

　　3)高频变压器的设计

　　高压电源高频化的优点是装置小型化，系统的动态反应快;电源装置效率高;有效抑制环境噪声污染。但高压电源高频化发展的阻碍主要体现在高频高压变压器上，其主要问题是：一、高频变压器体积减小，但绝缘问题突出。二、电压输出高则变压器的变比较高，而大变比必然使变压器的非线性严重，使其漏感和分布电容大大增加。

　　图9为高频高压变压器等效电路简化模型，它由漏感LD、副边分布电容Cp 和理想变压器组成。漏感同样时工作于高频fs下的感抗较工频下增加fs /50倍，严重限制了功率输出;分布电容相同时高频下的容抗较工频下减小至50/fs ，导致空载电流大，功率因数低，空载发热问题突出。对上述问题的处理方法是变压器真空浸油处理(受实验条件所限，本设计并未采用)，并采用大磁芯保证足够的绝缘距离，以减小分布电容Cp及其影响，但Cp减小必使LD 增加。

　　4)倍压电路的设计

　　(1)倍压电路

　　本设计在升压变压器输出后采用了倍压电路二次升压，这样可以减小变压器的体积，提高效率。倍压整流不仅可以将交流电转换成直流电(整流)，而且不需要再增加滤波电容。它能够在一定的电压之下，得到高出若干倍的直流电压(倍压)。只要倍压电路中使用电容的总体积不是很大，就可以减小整个电源设备的体积。

　　现就图10所示四倍压整流电路进行分析。在分析过程中，均假设各电容的充电速度远大于放电速度，并将导通的二极管用短路线来代替。

　　开始工作后，在第一周期的正半周，电压u经二极管VD1给电容C1充电到um，在负半周u与C1 上的电压串联起来给C2 充电。在下一周期的正半周，电压u在给C1充电的同时，由于VD1已导通，C3 上尚无电压，故C3将通过VD1、VD3向C3充电;在负半周，u与C1在向C2充电的同时C3也向尚无电压的C4 充电。四倍压电路在这个周期正、负半周的工作过程如图11所示。

　　由此可看出，在这种倍压整流电路中其能量是由前向后逐步传递的，每过半个周期便向后传递一步。四倍压整流电路经过4个半周期，即两个周期就有一部分能量传到最后的电容C4 上。在以后的各周期中，正半周重复图11(a)的过程，负半周重复图11(b)的过程。经过若于个周期后，除电容C1 上的电压为um外，其余电容上的电压均为2um 。负载RL上得到的电压为C2、C4上电压之和即4um 。以此类推，对于四级级(八倍压)整流电路，也可以得到相同的结论。本设计所用的八倍压整流电路如图12所示：

　　(2)仿真波形

　　由高频变压器输入给倍压电路的交流电压大约2千伏，经八倍压整流电路的倍压整流，最后输出直流电压可达15千伏左右。如下图是将半桥逆变电路，高频变压器，倍压电路一起进行的仿真实现电路。如图13。

　　如图14所示，输入高频变压器的电压为交流70V，通过变比为30的高频变压器输出电压升高为2kV左右，再通过八倍压整流电路，最后输出电压15kV左右。

　　控制电路

　　按常规闭环设计思想，闭环的反馈电压应取自输出电压，但课题中高压电源的输出电压高达15KV，那么，当反馈电压取自输出电压时，这势必对采样隔离电路提出较高的绝缘要求，在实际中会难于实现，也会增加电源的制作成本。考虑到以上情况，课题中的闭环设计的采样电压取自BUCK电路的输出电压。

　　根据经验选取，PI调节器的运算放大器选用LM7131B/NS,比较器选用LM339。R1=20K，R2 =100K，C=5n。

　　PSPICE中闭环电路原理图，如图15所示。

　　通过PSPICE仿真得到如图16波形：

　　如图所示，当基准电压Vref=-2V时，输出直流12V左右，当基准电压Vref =-2.5V时，输出直流电压15V左右，可见通过调节基准电压Vref 的值，可以实现本设计0-15KV大范围可调。如图可见，电压闭环驱动控制下输出电压的波形符合设计技术参数要求。

　　由前面波形可以看出，闭环电路可以正常工作，在加输入扰动后可以基本实现调节的无净差。到此基本完成课题设计中高压电源的原理设计，下面给出实际电路中的芯片控制驱动。

　　结论

　　本文介绍的一种基于BUCK调压的小功率高压电源，其特点是：①采用了倍压电路，减小了变压器的变比，使其在工艺和制造上成为可能，并且能够在一定条件下实现零电流软开关，从而大大减小了开关损耗;②该电源可以工作在110V、220V不同电压下，因为开拓了国内外市场;③该拓扑结构简单，易于实现;④该电源利用了DSP，实现了数字PI的实时控制，因而能良好的工作且实现远程通信。

课题设计