一种小功率高压电源的设计

一、引言

高压电源，又名高压发生器，英文：High voltage power supply,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。我们通常所说的高压电源，一般泛指直流高压电源，直流高压电源又有线性调整高压电源和开关型调整高压电源两种。其技术发展方向主要有两个，一是提高电源功率，即高电压、高电流；二是缩小电源体积，即高电压，小体积，缩小电源的体积主要是提高电源的开关频率。高功率电源，往往体积较大，而小体积电源，往往电流较小，功率较低。除此之外，高转换效率，高负载，高精度，低纹波，也是高压电源设计者的研究方向。

高压电源已经被广泛地应用？医学、工业无损探伤、车站、海关检验等检测设备中，也广泛应用于诸如雷达发射机、电子航空图显示器等军事领域。传统的高压电源体积大、笨重，严重影响了所配套设备的发展。目前的高压电源多采用开关电源形式，大大降低了体积重量，增加了功率，提高了效率。特别是高压小功率开关电源，几乎都是开关电源结构。本文所讨论的高压小功率开关电源，是为X射线电视透视系统配套设计的。这种系统是对原始X射线设备的改进，它增加一个叫做图像增强器的设备。这种设备采用电极对电子进行加速和聚焦，因而需要与之相配套的小功率高压电源。

　　二、方案选择

1.用途

高压电源用途很多，主要包括了X光机高压电源，激光高压电源，光谱分析高压电源，无损探伤高压电源，半导体制造设备高压电源，毛细管电泳高压电源，无损检测高压电源，半导体技术中的粒子注入高压电源、物理汽相沉积高压电源（PVD），纳米光刻高压电源，用于离子束沉积、离子束辅助沉积、电子束蒸发、电子束焊接、离子源、直流磁控反应溅射、玻璃/织物镀膜、辉光放电、微波处理高压电容测试、CRT显示器测试、高压电缆故障测试（PD testing）、TWT测试、H-POT测试。粒子加速器、自由电子激光、中子源、回旋加速源器、电容电感脉冲发生网络、Marx高压脉冲发生器、电容充电器。微波加热、射频放大、纳米技术应用、静电技术应用、静电纺丝制备纳米纤维，核仪器用高压电源等的高压电源产品。

小功率高压电源最常用的例子是电视机的阳极高压发生器，它将几十伏的直流电源，通过功率变换和高压变压器升压，再整流滤波，变为高压输出；另一个应用实例是负离子发生器，常采用晶闸管调压方式。以上两种调压方式都需要一台单独可调的辅助电源，即高、低压组合方式。这样便加大了电源的体积和复杂程度。加之，由于电路结构形式的不同，它们的输出电压范围的调节很有限，需要大范围调节时，只能通过改变供电电压来实现。而X射线增强器的主路电压调节范围近10kV，上述电路形式很难满足要求。本文采用的半桥谐振式开关电源，成功地解决了以上问题。

　　三、技术指标

输入电压 220（1±10％）V，（50±0.5）Hz；或宽范围输入电压180～250V。

输出电压／电流

阳极（正）电压/电流

标称值 ＋25kV/1mA，

电压范围 ＋23kV～＋32kV；

标称值 ＋7.35kV/200μA，

电压范围 ＋6.0kV～＋7.8kV；

标称值 ＋0.985kV/200μA；

电压范围 ＋0.8kV～＋1.1kV；

阴极（负）电压/电流

标称值 －0.75kV/500μA；

电压范围 －0.5kV～－1kV。

以上4路电压连动输出。

稳定度 1％。

工作温度范围 0℃～＋40℃。

存贮温度范围 －40℃～＋55℃。

外形尺寸 160mm×135mm×43mm。

图像增强器的电极在加工时不可避免存在有毛刺，在高电压下尖端放电击穿打火。要把毛刺烧掉，需要有较大的电流。这样，一方面要求电源输出功率设计得更要大些，另一方面应有完善的保护措施。

　　四、系统框图及工作原理

25kV小型化高压电源的系统框图如图1所示。

图1 系统框图

输入的市电经净化滤波后整流成300V左右的直流电压加到半桥电路的MOS管上。控制电路由最常用SG3525芯片组成。控制电路通过高压部件反馈绕组检测输出电压的变化量，产生激励脉冲去驱动功率MOS场效应管，实现稳压输出。五、技术难点及解决办法

1.体积与绝缘

这种电源是专为X射线增强器配套的，它被安装在X射线增强器底座下一个狭小的空间，因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择，电路的性能及绝缘，散热等问题有直接关系。本电路将功率变换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置，并选择高强度的绝缘介质填充高压部分，很好地解决了这个问题。

2.高频高压变压器

高频高压变压器是高压电源的核心部件。在低压（功率）变压器中，可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题，因而可以忽略分布电容的影