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工程師技術(shù)分享:基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

作者: 時間:2014-01-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計、倍壓電路的設(shè)計,控制電路的設(shè)計,并利用PSPICE軟件進行相應(yīng)各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/226653.htm

本研究實現(xiàn)的主要性能是:給定輸入電壓是交流220V,要求輸出電壓在范圍0~15KV內(nèi)大范圍可調(diào),功率為15W,輸出紋波要小于1%。

引言

一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源,一般的輸出電壓可達幾萬伏,甚至高達幾十萬伏特或更高。廣泛應(yīng)用于材料改性,金屬冶煉,環(huán)境保護,大功率激光和微波等應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)高壓電源采用工頻電源和LC諧振方式,雖然電路簡單,但其體積和重量大,低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意,隨著電力電子的發(fā)展,高頻高壓電源成為發(fā)展的趨勢。

隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn),并不斷地被應(yīng)用于開關(guān)電源,使得開關(guān)電源的性能不斷提高,特點不斷更新,出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。

20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命,即20Hz的開關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)在電源領(lǐng)域的應(yīng)用。到目前為止,電源的頻率已經(jīng)達到數(shù)百 Hz,應(yīng)用先進的準諧振技術(shù)甚至可以達到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結(jié)構(gòu)體積,進而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小,輕巧便攜,實用性和使用方便性明顯得到改善。

近幾年,隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展,新一代功率器件,如MOSFET,IGBT等應(yīng)用,高頻逆變技術(shù)的逐步成熟,出現(xiàn)了高壓開關(guān)直流電源,同線性電源相比較高頻開關(guān)電源的突出特點是:效率高、體積小、重量輕、反應(yīng)快、儲能少、設(shè)計、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性,現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

伴隨著高新技術(shù)的逐步應(yīng)用,新的技術(shù)問題也隨之出現(xiàn),主要表現(xiàn)在高頻化可以提高電源性能,減少變壓器的體積和紋波系數(shù)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存,出現(xiàn)了新的技術(shù)難點:

①高頻高壓變壓器體積減小,頻率升高,分布容抗變小,絕緣問題異常突出;

②大的電壓變化比使變壓器的非線性嚴重化,漏感和分布電容都增加,使其必須與逆變開關(guān)隔離,否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作,甚至會擊穿功率器件;

③高頻化導致變壓器的趨膚效應(yīng)增強,使變壓器效率降低。

鑒于上述情況,高頻高壓變壓器如何設(shè)計是目前研究的一個難點和熱點問題。

研究主要內(nèi)容包括BUCK電路的分析設(shè)計、半橋逆變電路分析設(shè)計、倍壓電路的設(shè)計,以及系統(tǒng)仿真研究。該電路包括輸入整流濾波電路、BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路、半橋逆變電路、倍壓電路和輸出整流濾波電路。輸入的交流電源經(jīng)整流濾波電路變?yōu)橹绷?,通過BUCK預(yù)穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定,再經(jīng)過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷海缓笸ㄟ^一個倍壓電路將電壓升高,最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。主電路設(shè)計

1)主電路的拓撲結(jié)構(gòu)(圖1)

工程師技術(shù)分享:基于BUCK調(diào)壓的小功率高壓電源

這里主要介紹了一種基于高壓電源。該電源能實現(xiàn)零電流軟開關(guān) (ZCS),并能方便的調(diào)節(jié)輸出電壓,因為利用了高頻變壓器的寄生參數(shù),從而避免了尖峰電壓和電流。該電源的另一個特點是利用倍壓電路代替了傳統(tǒng)的二極管整流電路,減小了高頻變壓器的變比和寄生參數(shù);尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯(lián)合策略,即采用Buck可十分方便、靈活地進行電壓調(diào)節(jié);采用定頻定寬的逆變電路可利用高頻變壓器的寄生參數(shù)實現(xiàn)諧振軟開關(guān)。

此外,由于該電源無需利用調(diào)節(jié)逆變電路的占空比來調(diào)節(jié)電壓,因而可充分利用高頻變壓器的磁性;而且由于其控制電路采用了基于DSP的實時數(shù)字PI調(diào)解器,因而實現(xiàn)了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。

2) BUCK電路的設(shè)計

(1)BUCK電路工作原理,圖2。

當開關(guān)S閉合后,輸入電壓 完全加在二極管D的兩端,上正下負,二極管被反偏截止。由于此時電容C的初始電壓為零(Vc=Vo 輸出電壓為零),電容電壓不能突變,所以輸入電壓完全加在電感L之上,形成經(jīng)開關(guān)S、電感L、電容C和電阻R構(gòu)成的回路建立起初始電流。隨著開關(guān)閉合時間的增加,電感電流逐漸增大,這個電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流,另一部分對電容充電使電容兩端的電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立,在開關(guān)S閉合期間電感電流的增量相對較大,而輸出給R的負載電流與電容電壓成正比,故開始階段電容的充電電流最大,電容電壓上升得最快。

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