CN104135157A - 一种高压电源功率变换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电源功率变换电路，包括直流电压源Vin、降压转换器电路、全桥转换器、高压变压器T、多个桥式倍压整流电路，直流电压源Vin的直流电压依次经过降压转换器电路、全桥转换器后送入高压变压器的初级线圈，高压变压器次级线圈接入有桥式倍压整流电路，多个桥式倍压整流电路依次串联。本发明避免了出现开关管导通瞬间电流过冲和整流管电压应力过大的问题，可明显减小次级高压线圈的漏感，进一步有效缓解了开关管开关瞬间存在的“振铃”问题，使功率变换的高压调整率保持较佳状态。

Description

一种高压电源功率变换电路

技术领域

本发明涉及高压电源领域，具体是一种高压电源功率变换电路。

背景技术

高压电源广泛应用于各类雷达、电子对抗、通信、导航等领域中，是当代国防装备和国民经济各部门都在使用的一类最重要的高压电源技术之一。功率变换是高压电源的核心组成部分，为高压电源的正常工作提供高达数千伏乃至数万伏的高压电压。功率变换电路的优劣无疑将直接影响到高压电源的工作指标和可靠性。

由于高压电源输出电压高，输出功率大，电压稳定度高，体积重量要求小，实现起来具有一定的难度。在早期设备中，使用电子管作为调整管，采用串联稳压技术设计高压电源，体积和重量都很大。自从开关电源出现后，由于开关电源在技术上的优点，高压电源逐渐采用开关电源技术实现，对高压电源功率变换技术的研究也势在必行。

功率变换电路是高压电源设计上的一大难点，因为功率变换中的高压储能电感器制作非常困难，必须将电感放置于低压侧，这样就限制了可使用的电路拓朴结构。目前高压电源的功率变换电路主要分为单级和双级两种，单级变换器中用于大功率输出的一般采用全桥变换器，这种变换器在高压电源的应用中存在两个问题，一个是高压储能电感的制作问题。由于电压很高，导致其体积很大，同时在工作时承受输出高压，导致电晕和飞弧，制作非常困难，解决办法就是增加体积，并且整体将电感油浸，带来的使用不方便。另外一个问题是开关管共通导致整个功率电路损坏的问题，虽然可以通过增加死区时间，防止误导通来解决，但是在恶劣情况下，还是无法避免共同现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压电源功率变换电路，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高压电源功率变换电路，其特征在于：包括直流电压源Vin、降压转换器电路、全桥转换器、高压变压器、多个桥式倍压整流电路，直流电压源Vin的直流电压经降压转换器电路后变换为交流电流，交流电流经过全桥转换器后变换为正负方波电流，正负方波电流送入高压变压器的初级线圈，所述高压变压器具有多组次级线圈，多个桥式倍压整流电路一一对应接入高压变压器的次级线圈，且多个桥式倍压整流电路依次串联。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：所述降压变换器电路包括场效应管Q5、二极管D5、电感L1，直流电压源Vin的正极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的源极与电感L1一端连接，电感L1的另一端接入全桥转换器，二极管D5的阴极接入场效应管Q5源极与电感L1之间，二极管D5的阳极通过一个缓冲电路与直流电压源Vin负极连接，所述缓冲电路由二极管Dc、一端与二极管Dc阳极连接的电阻Rc、并接在二极管Dc阴极与电阻Rc另一端之间的电感L2构成，二极管D5阳极接入二极管Dc阴极与电感L2对应端之间，直流电压源Vin的负极接入电阻Rc与电感L2对应端之间；

所述全桥转换器由开关管Q1-Q4构成，开关管Q1的漏极与开关管Q3的漏极共接，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极连接，开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极连接，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接，降压变换器电路中电感L1的另一端接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接端接入直流电压源Vin负极与缓冲电路之间；

所述高压变压器T初级线圈两端一一对应接入开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极、开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间，每个桥式倍压整流电路分别由两高压滤波电容、两高压整流二极管构成，其中两高压滤波电容连接在两相邻桥臂中、两高压整流二极管连接在另外两相邻桥臂中，且两高压整流二极管顺向连接，每个桥式倍压整流电路中两高压滤波电容连接端作为一个输入端接入对应的高压变压器次级线圈一端，每个桥式倍压整流电路中两高压整流二极管连接端作为另一个输入端接入对应的高压变压器T次级线圈另一端，每个桥式倍压整流电路中一个高压整流二极管阳极与一个高压滤波电容连接端作为负极输出端，每个桥式倍压整流电路中另一个高压整流二极管阴极与另一个高压滤波电容连接端作为正极输出端，多个桥式倍压整流电路通过正、负极输出端依次串联，且第一个桥式倍压整流电路负极输出端接出有输出线，最后一个桥式倍压整流电路正极输出端接地。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：开关管Q1的源极与漏极之间接有滤波储能电容C1。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个二极管D8的阴极连接，二极管D8的阳极接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D1、电阻R1构成的并联支路一连接，并联支路一中二极管D1阴极与电阻R1连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D1阳极与电阻R1连接的另一个并联端连接至开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D2、电阻R2构成的并联支路二连接，并联支路二中二极管D2阴极与电阻R2连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D2阳极与电阻R2连接的另一个并联端通过电容C2接入开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：第一个桥式倍压整流电路负极输出端上的输出线还旁路通过相互并联的电容与电阻接地。

所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：所述高压变压器为十段平绕式结构变压器。

本发明在高压电源的功率变换设计中，采用了一种独特的高效可靠的电流馈电全桥转换器和高压变压器多组绕制集成技术，该技术构思巧妙，电路可靠实用。基本思路：Buck电流馈电全桥拓扑与Buck电压馈电全桥电路类似，同样没有输出电感，但还比Buck电压馈电全桥电路少了Buck滤波电容，但是，这里仍可认为此处有一个由二次输出电容折射的等效当量电容，其滤波功能与同容量实际电容相同。

本发明电路中的全桥转换器不同于传统全桥电路使用脉宽调制，使输出保持稳定，而是两对斜对角的开关管以半个周期轮流导通，而且两者之间不像Buck电压馈电拓扑需留死区时间，而是电路中的每对开关管的导通时间都稍大于半个周期。输出电压的调节通过调节Buck电路的功率开关管的脉宽实现。当全桥转换器中开关管出现共导通时，由于Buck电路的电感呈现高阻抗，桥路所有输入、输出接点电压均将为零，正是这个高阻抗使桥路的供电源成为恒流源。

Buck电流馈电全桥拓扑与Buck电压馈电全桥电路类似，同样没有输出电感，但比Buck电压馈电全桥电路少了Buck滤波电容，由于去掉这个电容，全桥转换器输入呈现高阻抗，使桥路的供电源成为恒流源，避免了出现共通导致的瞬间电流和电压应力过大的问题。同时，由于设置了重叠导通时间，占空比的利用率也相对较高；还带来一个好处是全桥转换器开关管中先关断的开关管零电压关断，以及所有开关管零电压导通，有效的缓解了开关管开关瞬间存在的问题，降低损耗，提高效率。

功率变换的高压变压器采用创新的十段平绕式结构变压器设计，其电路原理如下，高压变压器次级高压线圈绕组被相互串联的高压二极管整流桥分割成十段，使各段绕组对交流信号相互隔离，而各段电位串联相加，所以每一段线圈和二极管整流桥都可以看成是一个独立的次级整流回路。这种结构使每一段线圈和二极管整流桥都可以看成是一个独立的次级整流回路，这种结构使每段线圈的分布电容和漏感明显的减小，大大低于无分割的一次升压整流变压器，使产品性能和可靠性大为提高。

本发明有益效果为：Buck电流馈电全桥转换器设置两对开关管之间的重叠导通时间，去掉Buck电路输出电容，避免了出现开关管导通瞬间电流过冲和整流管电压应力过大的问题。该拓扑先关断的开关管由于零电压关断而没有关断损耗，所有的开关管因为与变压器漏感串联且零电压导通，所以开通损耗也很小，可以忽略。功率变换的高压变压器采用创新的十段平绕式结构变压器设计，可明显减小次级高压线圈的漏感，进一步有效缓解了开关管开关瞬间存在的“振铃”问题，使功率变换的高压调整率保持较佳状态。

附图说明

图1为本发明电路原理图。

图2为本发明第一级Buck降压变换器开关管驱动波形与电感电流波形。

图3为本发明全桥转换器前后臂驱动波形图。

图4为本发明高压变压器一次侧电压及电流波形图。

图5为本发明高压电源阴极在重载时，变压器初级电流与阴极电压波形图。

图6为本发明阴极电源轻载时电压波形和变压器初级电流波形。

图7为本发明阴极电源无载时电压波形和变压器初级电流波形。

具体实施方式

如图1所示。一种高压电源功率变换电路，包括直流电压源Vin、降压转换器电路、全桥转换器、高压变压器T、多个桥式倍压整流电路，直流电压源Vin的直流电压经降压转换器电路后变换为交流电流，交流电流经过全桥转换器后变换为正负方波电流，正负方波电流送入高压变压器的初级线圈，所述高压变压器具有多组次级线圈，多个桥式倍压整流电路一一对应接入高压变压器的次级线圈，且多个桥式倍压整流电路依次串联。

降压变换器电路包括场效应管Q5、二极管D5、电感L1，直流电压源Vin的正极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的源极与电感L1一端连接，电感L1的另一端接入全桥转换器，二极管D5的阴极接入场效应管Q5源极与电感L1之间，二极管D5的阳极通过一个缓冲电路与直流电压源Vin负极连接，所述缓冲电路由二极管Dc、一端与二极管Dc阳极连接的电阻Rc、并接在二极管Dc阴极与电阻Rc另一端之间的电感L2构成，二极管D5阳极接入二极管Dc阴极与电感L2对应端之间，直流电压源Vin的负极接入电阻Rc与电感L2对应端之间；

全桥转换器由开关管Q1-Q4构成，开关管Q1的漏极与开关管Q3的漏极共接，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极连接，开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极连接，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接，降压变换器电路中电感L1的另一端接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接端接入直流电压源Vin负极与缓冲电路之间；

高压变压器T初级线圈两端一一对应接入开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极、开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间，每个桥式倍压整流电路分别由两高压滤波电容、两高压整流二极管构成，其中两高压滤波电容连接在两相邻桥臂中、两高压整流二极管连接在另外两相邻桥臂中，且两高压整流二极管顺向连接，每个桥式倍压整流电路中两高压滤波电容连接端作为一个输入端接入对应的高压变压器次级线圈一端，每个桥式倍压整流电路中两高压整流二极管连接端作为另一个输入端接入对应的高压变压器T次级线圈另一端，每个桥式倍压整流电路中一个高压整流二极管阳极与一个高压滤波电容连接端作为负极输出端，每个桥式倍压整流电路中另一个高压整流二极管阴极与另一个高压滤波电容连接端作为正极输出端，多个桥式倍压整流电路通过正、负极输出端依次串联，且第一个桥式倍压整流电路负极输出端接出有输出线，最后一个桥式倍压整流电路正极输出端接地。

开关管Q1的源极与漏极之间接有滤波储能电容C1。

直流电压源Vin的正极还与一个二极管D8的阴极连接，二极管D8的阳极接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D1、电阻R1构成的并联支路一连接，并联支路一中二极管D1阴极与电阻R1连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D1阳极与电阻R1连接的另一个并联端连接至开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D2、电阻R2构成的并联支路二连接，并联支路二中二极管D2阴极与电阻R2连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D2阳极与电阻R2连接的另一个并联端通过电容C2接入开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间。

第一个桥式倍压整流电路负极输出端上的输出线还旁路通过相互并联的电容与电阻接地。

高压变压器为十段平绕式结构变压器。

本发明中，本发明应用的高压电源要求如下，输出电压16kV，输出功率1kW，交流输入电压220VAC±10％，准确度1％，输出电压纹波0.5％。

a)开关频率：

Buck降压转换器切换频率选100kHz，全桥转换器约50kHz。

b)降压转换器工作周期设计

$D\≈\frac{E_b}{2\·n\·V_{\mathrm{in}}}\≈\frac{16\mathrm{kV}}{2\·90\·300}=0.33---\left(20\right)$

取变压器匝比1∶n＝1∶80，整流滤波后的直流电压取300V，实际电路中，整流后的直流电压会因为负载的轻重会有所变化；同时因缓冲电容、杂散电容与漏感造成变压器初级电压会有5％～10％的波动，所以最小工作周期约为38～43％。

c)变压器升压比：

一般情况下，升压比越小，变压器分布参数约容易控制，考虑到后端采用倍压整流电路，变压器次级电压减小一半，可相应降低匝比，这里匝比n取80。

d)降压转换器电感设计

为维持降压转换器工作于连续电流导通模式。设输出功率1000W计算，假设效率80％，则输入功率为1250W，初级最大电流按式计算，取6A，降压变换器电感计算如下。

$I_{\mathrm{on}}=\frac{P_{\mathrm{in}}}{0.9\×V_{\mathrm{in}}}\≈6A$

$L=\frac{k\·V_{\mathrm{in}}\·D\·T}{2\·I_{\mathrm{on}\left(\min \right)}}=\frac{2.5\·340\·(1-0.5)\·10\·{10}^{-6}}{2\·0.6}\≈3.5\mathrm{mH}\left(\min \right)$

其中，I_on(min)为最小电流，通常取I_on的10％，T为10μs，V_in为降压转换器输入电压(280～340V_DC)取340V_DC。在实际电路中，可适当调整电感值，使输出波形最佳化，本发明最终采用4mH电感值。

e)输出滤波电容：

阴极电源高压端需加有高压滤波电容，用以滤除高压纹波，其值如下式：

$C=\frac{V_{\mathrm{rms}}}{4\sqrt{2}\·f_s\·R\·\mathrm{\δV}}=\frac{16\mathrm{kV}}{4\sqrt{2}\·100k\·252\mathrm{k\Ω}\·9V}\≈0.015\mathrm{\μF}$

其中，f_s为工作频率100kHz，阴极电压有效值V_rms约-16kV，R为等效电阻约252kΩ，高压滤波等效电容量约需0.015μF。

本发明中各关键点的测试波形如图2-图7所示。图2中，Ch1：buck变换器Q5驱动波形(1:50)；CH2最大电流5.2A(1:20,电流探头)。图3中，CH1:Q1、Q2驱动信号(1:50,高压探头)；CH2:Q3、Q4驱动信号(1:10)。图4中，CH1:变压器初级电压波形(1:50,高压探头)；CH2:变压器初级电流波形(0.1V:1A,电流探头)。图5中，CH1:阴极电压-16kV(1V:1kV)；CH2:变压器初级电流波形(100mV:1A)。图6中，CH1:阴极电压-16kV(1V:1kV)；CH2:变压器初级电流波形(100mV:1A)。图7中，CH1:阴极电压-16kV(1V:1kV)；CH2:变压器初级电流波形(100mV:1A)。

从上述图2-图7分析和测试结果表明，本发明实现了高压电源对功率变换的高要求。采用降压电流馈入全桥变换器，解决了高压输出电感问题，避免了降压电压馈入全桥变化器开关管共通导致的严重问题，并利用该共通时间实现了开关管零电压导通，提高了整体效率。功率变换的变压器采用创新的十段平绕式结构变压器设计，可明显减小次级高压线圈的漏感，进一步有效缓解了开关管开关瞬间存在的“振铃”问题，使功率变换的高压调整率保持较佳状态。通过实际测试，取得了理想的效果，完全达到发明要求。

Claims (8)

1.一种高压电源功率变换电路，其特征在于：包括直流电压源Vin、降压转换器电路、全桥转换器、高压变压器T、多个桥式倍压整流电路，直流电压源Vin的直流电压经降压转换器电路后变换为交流电流，交流电流经过全桥转换器后变换为正负方波电流，正负方波电流送入高压变压器的初级线圈，所述高压变压器具有多组次级线圈，多个桥式倍压整流电路一一对应接入高压变压器的次级线圈，且多个桥式倍压整流电路依次串联。

2.根据权利要求1所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：所述降压变换器电路包括场效应管Q5、二极管D5、电感L1，直流电压源Vin的正极与场效应管Q5的漏极连接，场效应管Q5的源极与电感L1一端连接，电感L1的另一端接入全桥转换器，二极管D5的阴极接入场效应管Q5源极与电感L1之间，二极管D5的阳极通过一个缓冲电路与直流电压源Vin负极连接，所述缓冲电路由二极管Dc、一端与二极管Dc阳极连接的电阻Rc、并接在二极管Dc阴极与电阻Rc另一端之间的电感L2构成，二极管D5阳极接入二极管Dc阴极与电感L2对应端之间，直流电压源Vin的负极接入电阻Rc与电感L2对应端之间；

所述全桥转换器由开关管Q1-Q4构成，开关管Q1的漏极与开关管Q3的漏极共接，开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极连接，开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极连接，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接，降压变换器电路中电感L1的另一端接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端，开关管Q4的源极与开关管Q2的源极共接端接入直流电压源Vin负极与缓冲电路之间；

所述高压变压器T初级线圈两端一一对应接入开关管Q1的源极与开关管Q4的漏极、开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间，每个桥式倍压整流电路分别由两高压滤波电容、两高压整流二极管构成，其中两高压滤波电容连接在两相邻桥臂中、两高压整流二极管连接在另外两相邻桥臂中，且两高压整流二极管顺向连接，每个桥式倍压整流电路中两高压滤波电容连接端作为一个输入端接入对应的高压变压器次级线圈一端，每个桥式倍压整流电路中两高压整流二极管连接端作为另一个输入端接入对应的高压变压器T次级线圈另一端，每个桥式倍压整流电路中一个高压整流二极管阳极与一个高压滤波电容连接端作为负极输出端，每个桥式倍压整流电路中另一个高压整流二极管阴极与另一个高压滤波电容连接端作为正极输出端，多个桥式倍压整流电路通过正、负极输出端依次串联，且第一个桥式倍压整流电路负极输出端接出有输出线，最后一个桥式倍压整流电路正极输出端接地。

3.根据权利要求2所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：开关管Q1的源极与漏极之间接有滤波储能电容C1。

4.根据权利要求2所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个二极管D8的阴极连接，二极管D8的阳极接入开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

5.根据权利要求2所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D1、电阻R1构成的并联支路一连接，并联支路一中二极管D1阴极与电阻R1连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D1阳极与电阻R1连接的另一个并联端连接至开关管Q1与开关管Q3的漏极共接端。

6.根据权利要求2所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：直流电压源Vin的正极还与一个由二极管D2、电阻R2构成的并联支路二连接，并联支路二中二极管D2阴极与电阻R2连接的一个并联端连接直流电压源Vin的正极，二极管D2阳极与电阻R2连接的另一个并联端通过电容C2接入开关管Q3的源极与开关管Q2的漏极之间。

7.根据权利要求2所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：第一个桥式倍压整流电路负极输出端上的输出线还旁路通过相互并联的电容与电阻接地。

8.根据权利要求1所述的一种高压电源功率变换电路，其特征在于：所述高压变压器为十段平绕式结构变压器。