CN2162034Y - 脉宽调制型直流高压发生器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流高压电源设备，为解决 设备笨重和音频噪声大的问题而设计。设备控制部 分采用超音频(＞20kHz)脉宽调制型电路，高压发生 部分采用由高频陶瓷电容、高压硅堆组成的倍压整流 电路。以脉宽调制控制集成电路为核心件的PWM 转换单元产生超音频调制波馈至特别设计的双半桥 功率转换电路，实现直-交逆变，经中频升压变压器 升压后送倍压器输出直流高压。具有重量轻、体积 小、效率高的特点，可在流动场所使用。

Description

本实用新型涉及一种电源设备，更确切地说是涉及一种直流高压电源设备。

直流高压发生器可用于对各种高压电气设备及电力电缆作直流耐压和泄漏试验，也可用于其他需要直流高压电源的场所，广泛应用于电力系统、电力基建单位和作为稳压型高压直流电源使用。

脉宽调制型直流高压发生器通常由直流电源及电压调节电路，稳压电源及产生交变振荡方波信号的振荡电路，受振荡电路输出控制、实现直－交逆变的开关放大电路，对开关放大回路输出的可变幅值高频电压经升压变压器和倍压整流电路变为高压直流输出的升压及倍压整流电路和保护信号电路组成。

该类直流高压发生器普遍存在的两大问题是笨重和噪声干扰，由于工作于开关状态的功率输出级的工作频率为音频约4KHz，功率器件多采用大功率三极管，其推动部分多采用振荡变压器，因此4KHz的工作频率会产生很大的音频声，造成环境噪声污染，不仅危及操作人员的身心健康，而且该频率噪声极易干扰正常的电晕声和放电声，使操作失误；又由于采用大功率直流稳压电源，使设备的大部分重量都集中到稳压部件上，如大功率的工频隔离电源变压器及滤波器，大功率调整管所必需辅加的散热器等。

由于电源的体积、重量与其工作频率成反比下降，因此解决该类直流高压发生器小型化及噪声干扰的有效途径是提高功率转换部分的工作频率，解决中频电源问题。实验表明工作频率增至19KHz时，对98％的作业人员没有影响。目前国内这方面的技术现状是：有工作频率为4KHz、0～60KV高压、输出电流为mA级的晶体管直流高压试验器和工作频率为10～20KHz、高压输出电流为μA级的静电喷漆小型直流电源。

本实用新型的目的是设计一种工作频率为超音频（20KHz以上）的高压输出电流为mA级的小型化直流高压发生器。

本实用新型直流高压发生器的控制部分采用转换效率高的超音频脉宽调制型电路，高压发生器部分采用由高频陶瓷电容、高频硅堆组成的倍压整流电路，使操作环境无噪音设备体积、重量明显改善成便携式。

本实用新型的脉宽调制型直流高压发生器，包括整流滤波电路，实现直－交逆变的功率转换电路，升压变压器，倍压整流电路，电压、电流取样电路，反馈电路，脉宽调制PWM转换电路，电压、电流显示电路和过压、过流保护电路，其特征在于：

1）所述的功率转换电路是改进的双半桥电路，其中改进的半桥电路是：一发射极串接电感线圈的三极管和一集电极串接电感线圈的三极管以其电感线圈端连接的串联电路与两个串联电解电容器并接，电容正极与三极管集电极并联并接直流电源正端，电容负极与三极管发射极并联并接直流电源负端；

第一个改进的半桥电路电感线圈的串接点与第二个改进的半桥电路电容的串接点短接，第二个改进的半桥电路电感线圈的串接点与第一个改进的半桥电路电容的串接点间接升压变压器的初级绕组；

2）所述改进的双半桥电路的四个三极管基极接脉宽调制PWM转换电路；

3）所述的升压变压器是中频升压变压器。

下面结合实施例附图详细说明本实用新型的技术。

附图1为脉宽调制型直流高压发生器方框原理图。

附图2为图1所示功率转换电路原理图。

附图3为图1所示PWM转换电路原理图。

参见附图1，图1所示的脉宽调制型直流高压发生器，整流滤波电路11，实现直－交逆变的功率转换电路12，中频升压变压器13和倍压整流电路14顺序连接，其中功率转换电路12和中频升压变压器13作为直流高压电源的输入级，倍压整流电路14输出直流高压，电压、电流取样电路16从倍压整流电路14取样分别送电压、电流显示电路18、反馈电路15和过压、过流保护电路17，反馈电路15和过压、过流保护电路17的输出信号送PWM转换电路19调整其多谐振荡器的输出脉冲宽度，PWM转换电路19输出脉宽调制波送功率转换电路12控制功率转换，功率转换电路12是发生器的核心单元，起着承上起下的作用。

现有技术中一般采用典型的双管推挽式电路、半桥电路或全桥电路作为功率转换电路，推挽电路和全桥电路输出功率大、输出电压高，但不具备抗不平衡能力，半桥电路虽有抗不平衡能力，但输出功率较小，输出电压低，显然这三种传统电路设计都无助于实现本实用新型的目的。

参见附图2，本实用新型特别设计了一种改进型双半桥式（双H型）功率转换电路作为发生器开关电源的功率转换电路，具有抗不平衡性能，并以此为前提条件获得最大的输出峰峰值电压，根据P＝VI而实现较大功率输出。

图中电源变压器T、二极管D5－D8、D9－D12、电容C1、C2、C3、C4构成整流滤波电路，为改进型双半桥功率转换电路提供工作电源，三极管BG1～BG4，电容C1～C4、电感L1～L4构成改进型双半桥电路，Tr为中频升压变压器，14为倍压整流电路。

BG1～BG4的基极受PWM转换电路19控制交替导通截止。四只三极管BG1～BG4的基极馈入由PWM转换电路推动变压器的四个次级绕组分别接入，同一半桥的两只三极管基极馈入的绕组极性相反。当连续的交变脉宽调制波信号馈入基极后，同一半桥路中的两只三极管交替导通、截止，以开关状态工作，从而实现直－交逆变，放大后的中频交流信号经中频升压变压器输出至倍压整流电路14。

改进型双半桥电路的工作过程是：当控制BG1、BG3同时导通，BG2、BG4同时截止时，其电流回路是C3→BG3→L3→C1→BG1→L1→Tr初级绕组→C3；当控制BG2、BG4同时导通，BG1、BG3同时截止时，其电流回路是：C4→Tr初级绕组→L2→BG2→C2→L4→BG4→C4。如此交替循环地在中频升压变压器Tr初级绕组上施加正反两向电压。在交替转换过程中，通过二极管D1～D4的箝位作用泄放瞬间能量，以保护BG1～BG4，使施加在BG1～BG4上的反向电压保持在一定范围内，不会被击穿。

改进型双半桥电路可有效地克服不平衡问题，由于电路设计保证了变压器磁通始终工作在对称平衡状态下，从而可降低磁通裕度B的设计余量，可提高变压器的磁通利用率，使同样体积的铁芯可达到最大输出功率。双半桥电路可降低对功率器件一致性的要求，便于选用功率器件。因此双半桥电路可在具有抗不平衡的性能前提条件下获得较大的输出峰峰值电压，以最小的设备体积获得最大的输出功率，为实现20KHz以上的中频升压变压器、高VP－P输出创造了条件。

本实用新型的双半桥功率转换电路，中频升压变压器Tr与电感L、电容C组成串联谐振电路，因此为改进的双半桥电路，具有工作电流量最小、Tr上电压最高的特点。实施时选择变压器电感与外加L相配合，使中频升压变压器Tr上通过的电压波形接近正弦波，保证功率器件工作在最佳状态，减小无功损耗，最大限度地提供有功输出，实现波形转换，从而实现PWM状态下的宽幅调压要求，为20KHz以上的高电压大功率输出提供了必要的条件。

参见附图3，PWM转换电路，采用PWM控制器TL494，是一种专为开关电源提供控制信号的集成芯片，其内部多谐振荡器产生20KHz以上的交变振荡，输出的脉宽调制波信号经驱动器N2、N3加至推动变压器T1、T2的初级绕组，次级绕组输出控制功率转换双半桥电路的四个晶体管两两交替开关工作。PWM控制器N1的第一脚为输入端接收反馈电路的输出电压，第16脚接入基准电压。

由于直流高压发生器整机工作频率的提高，使倍压整流电路的体积大大缩小，经选择体积小、耐压高的高频陶瓷电容和高压硅堆，这种无感电容器大大缩小了倍压整流电路的整体损耗。

本实用新型高压主体部分充填绝缘油和固体绝缘材料，为避免油的膨胀影响，又加装了橡胶膨胀器。

上述种种技术措施使直流高压发生器扩大了应用范围并进一步缩小了体积，还适于在流动现场作高压试验使用。

本实用新型实施例超音频开关型高压直流电源与4KHz的旧式电源相比，重量和体积均减了2／3，工作效率从40％提高到85％，超音频区域工作噪声明显降低。

本实用新型的直流高压发生器系列产品输出电压60KV～400KV，输出电流1mA～5mA。

Claims (2)

1、一种脉宽调制型直流高压发生器，包括整流滤波电路，实现直-交逆变的功率转换电路，升压变压器，倍压整流电路，电压、电流取样电路，反馈电路，脉宽调制PWM转换电路，电压、电流显示电路和过压、过流保护电路，其特征在于：

1)所述的功率转换电路是改进的双半桥电路，其中改进的半桥电路是：一发射极串接电感线圈的三极管和一集电极串接电感线圈的三极管以其电感线圈端连接的串联电路与两个串联电解电容器并接，电容正极与三极管集电极并联并接直流电源正端，电容负极与三极管发射极并联并接直流电源负端；

第一个改进的半桥电路电感线圈的串接点与第二个改进的半桥电路电容的串接点短接，第二个改进的半桥电路电感线圈的串接点与第一个改进的半桥电路电容的串接点间接升压变压器的初级绕组；

2)所述改进的双半桥电路的四个三极管基极接脉宽调制PWM转换电路；3)所述的升压变压器是中频升压变压器。

2、根据权利要求1所述的脉宽调制型直流高压发生器，其特征在于所述的改进的双半桥电路中电感和三极管发射极串接点与电源负间接有箝位二极管，电感和三极管集电极串接点与电源正间接有箝位二极管。

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