CN103501123B - 一种大功率线性输出高压稳压装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率线性输出高压装置及方法。包括依次连接的弦波发生电路、正弦波幅度放大电路、初级功率放大电路、推挽功率放大电路、升压变压器、高压整流滤波电路、高压直流输出接口、及分别与MCU和过压过流保护电路连接的电流采集电路和电压采集电路；还包括与MCU相互连接的电压电流显示。本发明提供了一种高稳定性、高精确率、大功率输出的大功率线性输出高压装置及方法。
Description
技术领域
本发明属电学领域，涉及一种大功率高压稳压电源，尤其涉及一种大功率线性输出高压装置及方法。
背景技术
在用光电倍增管进行光电探测学科和核医学领域通常使用高压稳压电源作为能量激励。光电倍增管需要高稳定度的高压稳压电源作为激励，才能有效实现光电转换，当电压出现波动时，光电倍增管也会出现波动，测试结果不一致。在核医学领域，通常需要大功率高压电源实现离子的分离。但由于国内这两个领域的研究起步晚，与之配套的高性能高压稳压电源只能依靠进口，其关键技术也处于封锁状态。
目前国内高压电源主要有两种：一种是直接对220V市电进行倍压整流将市电转换为高压直流的设备；另一种是用信号发生模块产生特定频率的低压脉冲信号，通过推挽功率放大电路后经升压变压器变成高压交流信号，再通过倍压整流的方式将高压交流信号变成直流信号，当需要对输出电压进行调节时，通常采用PWM方式对脉冲波的脉宽进行调整而改变输出直流信号峰值。后者是现阶段主流的高压稳压电源。
直接对220V市电进行倍压整流将市电转换为高压直流，这种设备不能避免市电波动的影响，通常市电波动在±10%以内，因此其缺陷是没有稳压措施，电源输出稳定性差。另外，倍压整流方式的输出电流能力仅决定于倍压环节使用电容的容值，通常能够承受千伏高压的电容容值不足10μF，最终输出的电流能力不足1mA，输出功率很有限。
用低压脉冲交流信号功率放大，经升压变压再倍压整流的方式得到高压直流信号，这种方式虽然能够对输入信号可控，避免直接使用市电时的电源波动，但这种电源是通过对脉冲信号采用PWM对脉冲波的脉宽进行调整而改变输出直流信号峰值和对输出电压进行稳压，是一种开关控制方式，电源输出纹波很大，对输出端的负载会有很大影响，尤其是用光电倍增管进行精密探测和核医学领域研究时，这种纹波效应会严重影响测试正确性。再者，其输出电流决定于功率放大环节电流放大能力、变压器匝数比和倍压整流环节使用电容的容值共同决定，输出电流能力也很有限，目前这种方式实现的高压稳压电源在2000V输出时的最大电流能力为10mA。特别是在医学领域，时常需要高压大功率的电源，这种高压稳压电源的负载能力会显得力不从心。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，满足光电倍增管光电探测和核医学研究的需求，本发明提出了一种大功率线性输出高压装置及方法。
本发明的技术方案是：
1.一种大功率线性输出高压稳压装置，其特殊之处在于：包括依次连接的弦波发生电路、正弦波幅度放大电路、初级功率放大电路、推挽功率放大电路、升压变压器、高压整流滤波电路、高压直流输出接口、及分别与MCU和过压过流保护电路连接的电流采集电路和电压采集电路；还包括与MCU相互连接的电压电流显示。
上述MCU还与压控增益调节电路相互连接；所述压控增益调节电路还分别与手动设置电路和正弦波幅度放大电路相互连接。
上述推挽功率放大电路由一个NPN大功率三极管和一个PNP大功率三极管组成。
2.一种大功率线性输出高压稳压方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】正弦波发生电路产生频率为200Hz、峰值为2V的正弦波；
2】正弦波幅度放大电路通过运算放大器对正弦波的幅值进行放大，运放采用±12V供电，压控增益调节电路改变正弦波幅度放大的增益，幅度调节范围0～22V；
3】压控增益调节电路由场效应管作为核心，通过改变栅极与源极的电压值，调节漏极与源极的导通电阻；将该场效应管串入幅值放大电路运放的反馈端，实现压控增益的调节；
4】手动设置改变压控增益调节电路的控制电压，使正弦波幅度放大电路的幅度放大增益线性改变；
5】正弦波经幅度放大电路放大后，经初级功率放大电路放大实现电压和电流的放大；再通过推挽功率放大电路实现对初级功率放大后的正弦波无交越失真的功率放大，电压放大倍数为1，电流驱动能力达到8A；
6】正弦波经推挽功率放大电路后通过升压变压器（匝数比为1:100）后，将幅度为A的低压交流信号升压至100×A、电流变换为1/100初级电流的高压交流信号，升压变压器在完成升压的同时，将低压与高压部分实现电气隔离，使其之间不相互影响，同时去除低压电路部分的直流成分，使其副边输出级只有高压正弦波；
7】高压正弦波经高压整流滤波电路后成为直流电压；
8】电压采样电路与电源输出端并联，通过多个阻值相同的电阻分压取样对输出端的电压进行采集，并将取样电压值经A/D后传送给MCU；
8.1]当输出端电压高于设定值，过压保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
8.2]当输出端电流高于设定值，过流保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
9】MCU接收来自手动设置数据、电压采集数据和电流采集数据；当手动设置有效时，MCU接收来自手动设置电路数据，并将设置值送电压电流显示电路进行显示，同时将数据D/A后将电压值加载在压控增益调节的电压控制端控制输出正弦波的幅值；待手动设置完毕按下输出按钮后，MCU接收电压和电流采集数据，根据PID算法调节压控增益端的电压，实现稳压的目的。
本发明的有益效果是：
1.提高稳定性。本发明利用本地产生的正弦波作为源信号，一方面没有直接使用市电，避免了市电波动引起的不稳定性；另一方面，不存在脉冲信号开关过程引入的无法消除的纹波。
2.提高精度。本发明加入了压控增益放大电路，改变压控增益放大电路的控制电压，实现对交流电压的幅值的线性调节，调节精度高。
3.大功率输出。本发明采用了2级功率放大，将正弦信号的峰-峰值放大至66V，驱动电流放大至8A，保证了大功率输出的前提。
4.本发明中升压变压器初级串接有过压过流保护电路，当出现过压和过流情况时，自动切断变压器出入，保护了负载。
5.本发明的升压变压器次级输出交流高压正弦波经整流后采用电感与电容组成的π型滤波，滤波效果好，输出功率取决于升压变压器的输入功率，避免了采用倍压整流方式引起的输出电流限制。
6.本发明中在直流高压输出级加入电压采集和电流采集电路，对输出电压和负载电流进行采集，并将数据传送给MCU。
7.本发明中的MCU集成了PID算法，将电压采集和电流采集数据作为反馈，根据计算结果对压控增益调节电路的控制电压进行调节，改变正弦信号的幅值，实现闭环精密控制。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
其中1-弦波发生电路、2-正弦波幅度放大电路、3-初级功率放大电路、4-推挽功率放大电路、5-升压变压器、6-高压整流滤波电路、7-高压直流输出接口、8-电流采集电路、9-电压采集电路、10-MCU、11-电压电流显示、12-压控增益调节电路、13-手动设置电路、14-过压过流保护电路。
具体实施方式
参见图1，一种大功率线性输出高压电源，具体实施如下：
（1）正弦波产生电路产生频率为200Hz、峰值为2V的正弦波；
（2）正弦波放大电路通过运算放大器对正弦波的幅值进行放大，运放采用±12V供电，压控增益调节电路改变正弦波幅度放大的增益，幅度调节范围0～22V；
（3）压控增益调节电路由场效应管作为核心，通过改变栅极与源极的电压值，调节漏极与源极的导通电阻；将该场效应管串入幅值放大电路运放的反馈端，即实现了压控增益的调节；
（4）手动设置改变压控增益调节电路的控制电压，使正弦波幅度放大电路的幅度放大增益线性改变；
（5）正弦波经幅度放大电路后，幅度实现0～22V的调节，但由于运放没有电流驱动能力，此时正弦波只是一个单纯的交流电压信号。该电压信号经初级功率放大电路放大实现电压和电流的放大。初级功率放大电路采用大功率三极管作为核心器件，实现正弦波峰-峰值0～66V、驱动电流达到2A的强驱动能力交流信号；
（6）推挽功率放大电路由一个NPN大功率三极管和一个PNP大功率三极管组成，这一对管的性能参数基本一致，实现对初级功率放大后的正弦波无交越失真的功率放大，电压放大倍数为1，电流驱动能力达到8A；
（7）经推挽放大后的正弦波通过升压变压器（匝数比为1:100）后，将幅度为A的低压交流信号升压至100×A、电流变换为1/100初级电流的高压交流信号，升压变压器在完成升压的同时，将低压与高压部分实现电气隔离，使其之间不相互影响，同时去除低压电路部分的直流成分，使其副边输出级只有高压交流信号；
（8）高压正弦波经整流和π型滤波后成为直流电压；
（9）电压采样电路与电源输出端并联，通过多个阻值相同的电阻分压取样对输出端的电压进行采集，并将取样电压值经A/D后传送给MCU；若输出端电压高于设定值，过压保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
（10）电流采样电路与电源输出端串联，通过运放实现电流电压值转换，该电压值经A/D后传送给MCU；若输出端电流高于设定值，过流保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
（11）MCU接收来自手动设置数据、电压采集数据和电流采集数据；当手动设置有效时，MCU接收来自手动设置电路数据，并将设置值送电压电流显示电路进行显示，同时将数据D/A后将电压值加载在压控增益调节的电压控制端控制输出正弦波的幅值；待手动设置完毕按下输出按钮后，MCU接收电压和电流采集数据，根据PID算法调节压控增益端的电压，实现稳压的目的；
（12）该发明的设计极限为输出电压0～2970V、最大负载电流为80mA，为了留有余量，该发明实际使用的过压保护设置为2500V、过流保护设置为50mA；经过实际测试，在2500V高压输出、50mA电流负载能力下，纹波＜1.2×10-5±30mV；源效应为1×10-5±26mV，负载效应为1×10-5±50mV。
Claims (1)
1.一种大功率线性输出高压稳压方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)正弦波发生电路产生频率为200Hz、峰值为2V的正弦波；
(2)正弦波幅度放大电路通过运算放大器对正弦波的幅值进行放大，运放采用±12V供电，压控增益调节电路改变正弦波幅度放大电路增益，幅度调节范围为：0～22V；
(3)压控增益调节电路由场效应管作为核心，通过改变栅极与源极的电压值，调节漏极与源极的导通电阻；将该场效应管串入幅度放大电路运放的反馈端，实现压控增益的调节；
(4)手动设置改变压控增益调节电路的控制电路电压，使正弦波幅度放大电路的幅度放大增益线性改变；
(5)正弦波经幅度放大电路放大后，经初级功率放大电路放大实现电压和电流的放大；再通过推挽功率放大电路实现对初级功率放大后的正弦波无交越失真的功率放大，电压放大倍数为1，电流驱动能力达到8A；
(6)正弦波经推挽功率放大电路后通过升压变压器后，将幅度为B的低压交流信号升压至100×B、电流变换为1/100初级电流的高压交流信号，升压变压器在完成升压的同时，将低压与高压部分电气隔离，使其之间不相互影响，同时去除低压电路部分的直流成分，使其副边输出级只有高压正弦波；
(7)高压正弦波经高压整流滤波电路后成为直流电压；
(8)电压采样电路与电源输出端并联，通过多个阻值相同的电阻分压取样对输出端的电压进行采集，并将取样电压值经A/D变换后传送给MCU；电流采样电路与电源输出端串联，通过运放实现电流电压值转换，该电压值经A/D后传送给MCU；
8.1当输出端电压高于设定值，过压保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
8.2当输出端电流高于设定值，过流保护电路切断升压变压器初级电压输入，达到保护负载端的目的；
(9)MCU接收来自手动设置电路数据、电压采集数据和电流采集数据；当手动设置有效时，MCU接收来自手动设置电路数据，并将设置值送电压电流显示电路进行显示，同时将数据D/A变换后将电压值加载在压控增益调节电路的电压控制端控制输出正弦波的幅值；待手动设置完毕按下输出按钮后，MCU接收电压和电流采集数据,根据PID算法调节压控增益调节电路的电压控制端的电压，实现稳压的目的。
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