常用直流高壓電源的實(shí)現(xiàn)方法

隨著科技的進(jìn)步，高壓電源在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。“高壓電源”這個(gè)名詞是依據(jù)其輸出電壓來定義的。具體到多高的電壓才叫高壓電源，我也不清楚。個(gè)人以為輸出電壓在1000V以上的，可以認(rèn)為屬于高壓電源了。直流高壓電源所涉及的領(lǐng)域其實(shí)非常寬廣，大到電力系統(tǒng)的直流高壓輸變電系統(tǒng)，小到家用的電蚊拍，都可以算是這個(gè)領(lǐng)域里的東西。在這里我主要想說說的是屬于電子電源領(lǐng)域的高壓電源。這個(gè)領(lǐng)域的高壓電源，主要的應(yīng)用有：醫(yī)療安檢無損檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的X光系統(tǒng)、一些粒子加速器系統(tǒng)、工業(yè)煙氣除塵、耐壓測(cè)試儀表、靜電裝置、氣體激光器等。

高壓電源最主要的技術(shù)特點(diǎn)，就是在于輸出電壓很高。高的輸出電壓對(duì)很多方面提出了特別的要求——元器件耐壓的要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求、絕緣材料的要求等。與此同時(shí)，電路結(jié)構(gòu)上也有異于通常的結(jié)構(gòu)。通常對(duì)于輸出10KV以下的電源，可以直接采用傳統(tǒng)的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是對(duì)于電壓更高的電源，就要對(duì)電路結(jié)構(gòu)作一些修改，以滿足更高電壓的輸出。由于變壓器初級(jí)部分的功率器件的耐壓限制，一般驅(qū)動(dòng)部分依然是傳統(tǒng)的開關(guān)電源拓?fù)?，?duì)電路結(jié)構(gòu)的修改，主要是集中在變壓器以及后面的整流電路上。下面主要對(duì)這兩部分進(jìn)行討論。

一、變壓器部分

1，多個(gè)變壓器串聯(lián)方式

這種方式的電路示意圖如圖1所示。特點(diǎn)是，每個(gè)變壓器的升壓比不是很高，磁芯與次級(jí)繞組間的壓差不大。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：適合大功率輸出。變壓器繞組對(duì)磁芯的絕緣容易處理。缺點(diǎn)是：每個(gè)變壓器要傳遞的功率不一樣，最低壓端的變壓器傳遞功率最大，最高壓端的變壓器傳遞功率最高。每個(gè)變壓器對(duì)地絕緣要求不同。最高壓端的變壓器對(duì)地絕緣要求最高。由于變壓器存在漏感，所以越是遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)輸入的變壓器，其回路中等效的漏感就越大。那么變壓器實(shí)際輸出的電壓是有差異的，即便匝比都是一致的。

2，單變壓器，多組次級(jí)級(jí)聯(lián)方式

這種方式的電路示意圖如圖2所示。特點(diǎn)是，次級(jí)的每個(gè)繞組對(duì)初級(jí)的升壓比不是很高。優(yōu)點(diǎn)是：適合較大功率輸出。變壓器數(shù)量少，只需要一副磁芯。缺點(diǎn)是：高壓端的繞組對(duì)磁芯的電壓差很大，絕緣不容易處理。次級(jí)繞組如果對(duì)磁芯或初級(jí)結(jié)構(gòu)不一致，那么漏感會(huì)不一致，導(dǎo)致繞組間存在差異。如果保持結(jié)構(gòu)一致，則全部次級(jí)都必須按照最高絕緣要求來設(shè)計(jì)，那么變壓器的窗口利用率會(huì)大大下降。

3，單變壓器，絕緣磁芯多組次級(jí)級(jí)聯(lián)方式

這種方式的電路示意圖如圖3所示。特點(diǎn)是，磁芯是由多段組合而成，每段磁芯之間都用絕緣性能很好的薄膜進(jìn)行絕緣。每段磁芯都有一個(gè)次級(jí)繞組。優(yōu)點(diǎn)是：適合較大功率的輸出。變壓器數(shù)量少，只需要一副磁芯。每段次級(jí)繞組與磁芯的電壓差小，次級(jí)繞組對(duì)磁芯的絕緣容易處理。缺點(diǎn)是：磁芯是分段的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。磁芯有氣隙，分段越多，等效氣隙越大，磁芯固定困難。

4，多變壓器，共初級(jí)，次級(jí)級(jí)聯(lián)方式

這種方式的電路示意圖如圖4所示。為了能看的直觀一些，這里畫了一張3D的圖紙，為了畫出這個(gè)示意圖，畫了好長(zhǎng)時(shí)間，特別是初級(jí)的那個(gè)線圈，看上去簡(jiǎn)單，很費(fèi)了一番力氣！這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是多個(gè)變壓器組合，初級(jí)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，次級(jí)獨(dú)立整流以后再串聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)是：適合大功率的輸出，變壓器的升壓比不大。缺點(diǎn)是：初、次級(jí)對(duì)磁芯之間總有一個(gè)絕緣要求高，需要多個(gè)變壓器。

二、整流電路

1，半波多倍壓電路

半波多倍壓電路有兩種結(jié)構(gòu)，一種是圖5A的結(jié)構(gòu)，這是基本的也是最常見的倍壓整流電路了。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，二極管和電容的電壓應(yīng)力都不高，變壓器的輸出電壓也不算高。缺點(diǎn)是：帶負(fù)載能力較差，倍壓階數(shù)越高則電壓跌落越多，最終存在一個(gè)極限倍壓階數(shù)。超過這個(gè)階數(shù)，電壓不再升高，反而會(huì)下降。另一種是圖5B的結(jié)構(gòu)，這種電路的帶載能力強(qiáng)一些，但是電容的電壓應(yīng)力很高。

2，全波多倍壓電路

電路結(jié)構(gòu)見圖6，這其實(shí)是半波多倍壓電路的拓展結(jié)構(gòu)?？梢酝瑫r(shí)的到正負(fù)高壓。當(dāng)然，如果把其中端高壓接地，把變壓器次級(jí)懸浮，也是可以的。這樣做的好處是，得到同樣的高壓，只需要有半波多倍壓一半的階數(shù)就可以得到了。那么電壓跌落和紋波都小很多。缺點(diǎn)是：假如采用某端高壓接地，高壓變壓器次級(jí)懸浮的方式，對(duì)高壓變壓器的絕緣要求很高。假如高壓變壓器次級(jí)接地的話，那么得到的是正負(fù)高壓，使用上不是很方便。

3，抽頭式雙半波多倍壓電路

電路結(jié)構(gòu)見圖7，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是高壓變壓器的次級(jí)帶中間抽頭。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：倍壓的電壓跌落比半波多倍壓方式小很多。紋波也小很多。缺點(diǎn)是：變壓器的次級(jí)需要抽頭，輸出同樣的高壓，變壓器的次級(jí)匝數(shù)增加了一倍。元件多，成本高。

4，還有其他拓展或混合式用法

例如抽頭式雙半波可以拓展為抽頭式全波正負(fù)多倍壓電路，用以得到正負(fù)高壓。也可以把圖5B的結(jié)構(gòu)和圖5A的結(jié)構(gòu)混合起來使用。也可以把常規(guī)整流方式與倍壓整流方式混合使用。正負(fù)倍壓方式中，也可以正、負(fù)階數(shù)不一致。很多場(chǎng)合，我們把變壓器和整流電路兩種解決手段同時(shí)組合使用，例如變壓器次級(jí)分段，每段分別全波倍壓后串聯(lián)輸出等等。

通過二極管和電容組合成電荷泵方式的倍壓電路，總的來說不能承受大的輸出功率，而且輸出電壓的上升速率也相對(duì)較慢。因?yàn)檫@是一種電荷泵，用犧牲功率的辦法來得到高的電壓，泵的能力的局限性比較大。

總之，掌握了基本原理，具體到工程案例中，就可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇變壓器與整流電路的組合方式了。