CN219204372U - 一种输出连续可调的直流高压电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种输出连续可调的直流高压电源，包括低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、倍压整流电路、输出电路和谐振变换器控制器电路。本实用新型的有益效果是：选用半桥式电路拓扑结构，克服了电路设计与调试的困难，降低对开关管的耐压需求；选用IGBT作为半桥式变压型逆变电路的主控功率开关器件，IGBT的电流等级己达到1800A，电压等级己达到400OV，关断时间已缩短至40ns，能够作为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件；本实用新型设计了谐振变换器控制器；还设计了五倍压的倍压整流电路，根据所需电压的高低，把不同级数的倍压电路串接起来组成串级发生器，以能够获得更高的输出直流电压，并且能够有效地控制波纹系数。

Description

一种输出连续可调的直流高压电源

技术领域

本实用新型涉及高压直流电源技术领域，尤其包括一种输出可调的直流高压电源。

背景技术

高压直流电源按输出电压极性可分为正极性和负极性两种。高压直流电源已经广泛应用于各行各业，在兆瓦级加速器设计中直流高压电源可以达到90％以上的能量转化效率，较好的满足了其需求。

伴随着高新技术的逐步应用，新的技术问题也随之出现，主要表现在高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存，因此出现了新的技术难点：

(1)高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出；

(2)大电压变化比令变压器的非线性更为严重，同时增加漏感和分布电容，因此变压器必须与逆变开关进行隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件；

(3)高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。

目前，国外像Spellman、Classman等高压电源公司已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源，但是这些高压直流电源价格比较昂贵；而国内对于直流高压电源的研究起步较晚，虽然我国高压开关电源技术已取得了很大的进步，但同国外相比还有很大的差距，特别是大功率高压开关电源技术仍处在研发之中。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种输出可调的直流高压电源。

这种输出可调的直流高压电源，包括：低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、倍压整流电路、输出电路和谐振变换器控制器电路；谐振变换器控制器电路电连接低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、倍压整流电路和输出电路；

低压直流电路，包括电源变压器、整流电路、电容滤波电路和稳压电路；电源变压器，用于将220V市电交流电压转换为20V交流电压；整流电路用于接收电源变压器输出的20V交流电压，将20V交流电压整流为脉动的直流电压；电容滤波电路用于接收整流电路输出的脉动的直流电压，将脉动的直流电压中的纹波滤除，输出平滑的直流电压；稳压电路用于接收电容滤波电路输出的平滑的直流电压并对其进行稳压，得到稳压后的平滑直流电压；

振荡逆变电路，包括半桥式变压型逆变电路、文氏振荡电路和脉冲变压器；半桥式变压型逆变电路，用于将接收到的稳压后的平滑直流电压进行逆变得到高频电压；文氏振荡电路和脉冲变压器，用于对接收到的高频电压进行振荡变换，输出高频的矩形脉冲电压；

升压电路，用于对接收到的高频的矩形脉冲电压进行升压，输出10kV的高频直流电压至倍压整流电路；

倍压整流电路用于将接收到的10kV的高频直流电压分别存储在多个电容器上，转化为目标直流高压；

输出电路，用于接收倍压整流电路输出的目标直流高压，并向外输出目标直流高压；

谐振变换器控制器电路，用于控制并驱动振荡逆变电路工作。

作为优选，低压直流电路中的稳压电路为具有放大环节的串联型稳压电路；稳压电路包括稳压芯片LM338和电容。

作为优选，低压直流电路中的整流电路为桥式整流电路。

作为优选，半桥式变压型逆变电路选用半桥式电路拓扑结构；选用IGBT作为主控功率开关器件。

作为优选，倍压整流电路采用五倍压整流电路；五倍压整流电路设有专用的连接结构，该连接结构内电容器和硅堆刚性联结，在连接结构内填充有高压硅脂，在连接结构与器件、导线交接处涂覆有绝缘硅橡胶。

作为优选：

谐振变换器控制器电路，包括电流过零检测器、死区调整电路、软启动控制电路、振荡器、单脉冲发生器、分频器及驱动电路；

电流过零检测器，用于跟踪半桥式变压型逆变电路的谐振频率，并在电流过零点处开断；

死区调整电路，用于调整死区时间；

软启动控制电路，为定时器，用于控制振荡器在直流高压电源刚启动时工作于固有频率；

振荡器，用于在逆变器的谐振频率附近工作，并在电流过零点处开断；

单脉冲发生器，用于产生脉冲信号；

分频器，用于产生互补的两路信号；

驱动电路，用于根据分频器产生的两路互补信号来输出四路驱动信号，对半桥式变压型逆变电路进行驱动。

作为优选，振荡逆变电路中的脉冲变压器结构为：在由硅钢片叠成的铁心柱上套设有主绕组，在由坡莫合金制成的铁心柱上套设有副绕组，主绕组和副绕组之间设有磁分路。

作为优选，倍压整流电路为三相及以上整流电路。

作为优选，直流高压电源的输出电压为0～50kV。

作为优选，整个直流高压电源电路封装在有机玻璃盒中。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的半桥式变压型逆变电路选用半桥式电路拓扑结构，克服了电路设计与调试的困难，降低了对开关管的耐压需求。本实用新型选用IGBT作为半桥式变压型逆变电路的主控功率开关器件，IGBT的电流等级己达到1800A，电压等级己达到400OV，关断时间已缩短至40ns，能够作为大功率开关电源、逆变器等电力电子装置的理想功率器件；本实用新型设计了谐振变换器控制器；还设计了五倍压的倍压整流电路，根据所需电压的高低，把不同级数的倍压电路串接起来组成串级发生器，以能够获得更高的输出直流电压，并且能够有效地控制波纹系数；

本实用新型的直流高压电源用于将市电(即220V民用电)进行降压、整流、稳压、逆变、振荡、升压、倍压整流等环节变换成0～50kV范围内连续可调的高压直流电源，高压直流电源输出电压的纹波系数≤5％；本实用新型设计的直流高压电源体积小、重量轻、绝缘性好、性能稳定，可用于为高压储能网络充电，也可单独作为一种直流高压电源使用。

附图说明

图1为本实用新型涉及的直流高压电源的电路原理图；

图2为桥式整流电路的电路原理图；

图3为稳压电路原理图；

图4为半桥式拓扑结构的电路原理图；

图5为振荡逆变电路原理图；

图6为谐振变换器控制器电路示意图；

图7为脉冲变压器等效电路原理图；

图8为脉冲变压器的简化等效电路原理图；

图9为串级发生器电路原理图；

图10为倍压整流电路原理图；

图11为f＝12kHz时的输出电压波形图；

图12为f＝12kHz电压稳定后的纹波波形图；

图13为f＝11kHz时输出电压波形图；

图14为f＝11kHz时电压稳定后的纹波波形图；

图15为f＝10kHz时的输出电压波形图；

图16为f＝10kHz电压稳定后的纹波图形图；

图17为C＝10μf时的输出电压波形图；

图18为C＝10μf时输出电压稳定后的纹波波形图；

图19为C＝18μf时的输出电压波形图；

图20为C＝18μF时输出电压稳定后的纹波波形图；

图21为直流高压电源的等效电路图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

作为一种实施例，如图1所示，这种输出电压在0～50kV内连续可调的直流高压电源，包括：低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、五倍压整流电路、输出电路和谐振变换器控制器电路；谐振变换器控制器电路电连接低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、五倍压整流电路和输出电路；

低压直流电路，包括电源变压器、桥式整流电路、电容滤波电路和稳压电路，因为同相比例运算电路的输入电压为稳定电压，且比例系数可调，则其输入电压就可调节；同时为了扩大输出大电流，集成运放输出端加晶体管，并保持射极输出形式，如图3所示，稳压电路为具有放大环节的串联型稳压电路，包括稳压芯片LM338和电容；电源变压器，用于将220V市电交流电压转换为20V交流电压；如图2所示，桥式整流电路用于接收电源变压器输出的20V交流电压，将20V交流电压整流为脉动的直流电压，脉动的直流电压含有较大的纹波；电容滤波电路用于接收桥式整流电路输出的脉动的直流电压，将脉动的直流电压中的纹波滤除，输出平滑的直流电压，得到的电压仍随电网电压波动(±10％左右)、负载和温度的变化而变化，因此还需再加一个稳压电路；稳压电路用于接收电容滤波电路输出的平滑的直流电压并对其进行稳压，得到稳压后的平滑直流电压(+20V)；

如图5所示，振荡逆变电路，包括半桥式变压型逆变电路、文氏振荡电路和脉冲变压器；半桥式变压型逆变电路，用于将接收到的稳压后的平滑直流电压(+20V)进行逆变得到高频电压；文氏振荡电路和脉冲变压器，用于对接收到的高频电压进行振荡变换，输出高频的矩形脉冲电压；如图4所示，半桥式变压型逆变电路选用半桥式电路拓扑结构，选用IGBT作为主控功率开关器件；

典型的脉冲变压器集中参数等效电路如图7所示，该电路虽采用了集中参数等效电路，大大简化计算难度，但仍然有10个储能元件，要对它进行分析，计算过程仍然过于复杂，因此还需要对其进行进一步简化；在实际应用可以先忽略引线电感、引线电容、信号源内阻及一、二次侧之间的分布电容，再将一、二次侧的漏感合并，这样就得到了如图8所示的脉冲变压器，结构为：在断面较大的由硅钢片叠成的铁心柱上套设有主绕组，在由坡莫合金制成的断面较小的易于高度饱和的铁心柱上套设有副绕组，主绕组和副绕组之间设有磁分路；

半桥式变压型逆变电路两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件U和一个反并联二极管D组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C，两个电容的连接点成为直流电源的中点，阻感负载接于直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

文氏振荡电路由RC串并联选频网络，以及同向输入比例放大器组成；文氏振荡电路输出信号频率计算公式

其中f表示电压频率，R表示电阻，C表示电容；取f＝10kHz，所以RC＝1.59×10^-5；取R＝15000Ω，则C＝1.06×10^-9(F)；

升压电路，用于对接收到的高频的矩形脉冲电压进行升压，输出10kV的高频直流电压至五倍压整流电路；

为了获得更高的电压，如图9和图10所示的五倍压整流电路利用二极管的整流和导引作用，为三相及以上整流电路，用于将接收到的10kV的高频直流电压分别存储在多个电容器上，转化为目标直流高压；五倍压整流电路设有专用的连接结构，该连接结构内电容器和硅堆刚性联结，既解决支撑问题，又解决绝缘问题，为防止沿面放电和局部放电，在连接结构内填充有高压硅脂以排除空气，在连接结构与器件、导线交接处涂覆有绝缘硅橡胶，起到密封效果；

输出电路，用于接收五倍压整流电路输出的目标直流高压，并向外输出目标直流高压；

如图6所示，谐振变换器控制器电路，用于控制并驱动振荡逆变电路工作；谐振变换器控制器电路，包括电流过零检测器、死区调整电路、软启动控制电路、振荡器、单脉冲发生器、分频器及驱动电路；电流过零检测器，用于跟踪半桥式变压型逆变电路的谐振频率，并在电流过零点处开断；死区调整电路，用于调整死区时间；软启动控制电路，为定时器，用于控制振荡器在直流高压电源刚启动时工作于固有频率，此频率较低，以限制启动电流；振荡器，用于在逆变器的谐振频率附近工作，并在电流过零点处开断；单脉冲发生器，用于产生脉冲信号；分频器，用于产生互补的两路信号；驱动电路，用于根据分频器产生的两路互补信号来输出四路驱动信号，对半桥式变压型逆变电路的两只IGBT进行驱动。

整个直流高压电源电路封装在有机玻璃盒中，实现与箱体及其它零部件间的隔离，提高使用安全性。

采用英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件(Proteus软件)来对输出连续可调的直流高压电源进行仿真，得到如图21所示的直流高压电源仿真电路图；

(1)、直流高压电源工作时，研究电压频率对稳定时间以及纹波系数的影响：

首先取C₁₂＝C₁₃＝C₁₄＝C₁₅＝6μf不变，倍压电路从脉冲变压器获得电压为10kV，改变C10的值，从而改变电压频率，用示波器对仿真的电压进行提取：

电压频率取12kHz时，得到如图11所示f＝12kHz时的输出电压波形和如图12所示f＝12kHz电压稳定后的纹波波形；根据示波器显示的数据，图12中，V_max＝46.979kV，V_min＝46.614kV。所以纹波系数S＝V_max-V_min/V_av＝0.009。

电压频率取11kHz时，得到如图13所示f＝11kHz时的输出电压波形和如图14所示f＝11kHz电压稳定后的纹波波形；根据示波器显示的数据，图14中，V_max＝46.193kV，V_min＝45.492kV。纹波系数S＝V_max-V_min/V_av＝0.017；

电压频率取10kHz时，得到如图15所示f＝10kHz时输出电压波形和如图16所示f＝10kHz电压稳定后的纹波图形；根据示波器显示的数据，图16中，V_max＝44.704kV，V_min＝43.398kV。所以纹波系数S＝V_max-V_min/V_av＝0.029。

对比图11、图13和图15可知，在电压大小不变的情况下，电压的频率越高，它达到稳定所需要的时间就越短；由图12、图14和图16和所求得的纹波系数可以得出结论：输入电压的频率越高，输出的电压纹波系数就越小。

(2)、直流高压电源工作时，研究电容大小对纹波的影响：

脉冲变压器对倍压电路输出10kV，10kHz的脉冲电压不变，改变等值电容C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅和C₁₆的大小，分别取6μf、10μF和18μF，用示波器对仿真的电压波形进行提取，由于C＝6μf的输出特性曲线已在图11和图12中显示出，因此此处测C＝10μf及C＝18μf的特性曲线，所得如图17至图20所示；根据示波器显示的数据，图18中，V_max＝46.055V，V_min＝45.218kV，纹波系数S＝V_max-V_min/V_av＝0.018；根据示波器显示的数据，图20中，V_max＝46.348V，V_min＝45.008kV。所以纹波系数S＝V_max-V_min/V_av＝0.008。

结论为：可以通过提高电压的频率来减少电压稳定所需要的时间；通过提高倍压电路的电容大小，能有效的减小输出电压的纹波系数；

本实施例根据市场情况，取C＝6μF，耐压40kV；硅堆主要技术参数为：额定整流电流0.5A；额定反峰值电压30kV。

由于五倍压电路的电压与频率都比较高，因此对二极管有着较严格的要求；本实施例选用了TJ系列二极管，它能承受30kV的峰值反向工作电压与35kV的非峰值反向工作电压，以及0.5A的平均正向电流，反向恢复时间为100ns，完全可以满足要求。

Claims (10)

1.一种输出连续可调的直流高压电源，其特征在于，包括：低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、倍压整流电路、输出电路和谐振变换器控制器电路；谐振变换器控制器电路电连接低压直流电路、振荡逆变电路、升压电路、倍压整流电路和输出电路；

低压直流电路，包括电源变压器、整流电路、电容滤波电路和稳压电路；电源变压器，用于将220V市电交流电压转换为20V交流电压；整流电路用于接收电源变压器输出的20V交流电压，将20V交流电压整流为脉动的直流电压；电容滤波电路用于接收整流电路输出的脉动的直流电压，将脉动的直流电压中的纹波滤除，输出平滑的直流电压；稳压电路用于接收电容滤波电路输出的平滑的直流电压并对其进行稳压，得到稳压后的平滑直流电压；

振荡逆变电路，包括半桥式变压型逆变电路、文氏振荡电路和脉冲变压器；半桥式变压型逆变电路，用于将接收到的稳压后的平滑直流电压进行逆变得到高频电压；文氏振荡电路和脉冲变压器，用于对接收到的高频电压进行振荡变换，输出高频的矩形脉冲电压；

升压电路，用于对接收到的高频的矩形脉冲电压进行升压，输出10kV的高频直流电压至倍压整流电路；

倍压整流电路用于将接收到的10kV的高频直流电压分别存储在多个电容器上，转化为目标直流高压；

输出电路，用于接收倍压整流电路输出的目标直流高压，并向外输出目标直流高压；

谐振变换器控制器电路，用于控制并驱动振荡逆变电路工作。

2.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：低压直流电路中的稳压电路为具有放大环节的串联型稳压电路；稳压电路包括稳压芯片LM338和电容。

3.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：低压直流电路中的整流电路为桥式整流电路。

4.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：半桥式变压型逆变电路选用半桥式电路拓扑结构；选用IGBT作为主控功率开关器件。

5.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：倍压整流电路采用五倍压整流电路；五倍压整流电路设有专用的连接结构，该连接结构内电容器和硅堆刚性联结，在连接结构内填充有高压硅脂，在连接结构与器件、导线交接处涂覆有绝缘硅橡胶。

6.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：

谐振变换器控制器电路，包括电流过零检测器、死区调整电路、软启动控制电路、振荡器、单脉冲发生器、分频器及驱动电路；

电流过零检测器，用于跟踪半桥式变压型逆变电路的谐振频率，并在电流过零点处开断；

死区调整电路，用于调整死区时间；

软启动控制电路，为定时器，用于控制振荡器在直流高压电源刚启动时工作于固有频率；

振荡器，用于在逆变器的谐振频率附近工作，并在电流过零点处开断；

单脉冲发生器，用于产生脉冲信号；

分频器，用于产生互补的两路信号；

驱动电路，用于根据分频器产生的两路互补信号来输出四路驱动信号，对半桥式变压型逆变电路进行驱动。

7.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于，振荡逆变电路中的脉冲变压器结构为：在由硅钢片叠成的铁心柱上套设有主绕组，在由坡莫合金制成的铁心柱上套设有副绕组，主绕组和副绕组之间设有磁分路。

8.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：倍压整流电路为三相及以上整流电路。

9.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：直流高压电源的输出电压为0～50kV。

10.根据权利要求1所述输出连续可调的直流高压电源，其特征在于：整个直流高压电源电路封装在有机玻璃盒中。

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