一款小型化高壓小功率電源的設(shè)計(jì)

　　引言

　　高壓電源已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用，醫(yī)學(xué)、工業(yè)無(wú)損探傷、車(chē)站、海關(guān)檢驗(yàn)等檢測(cè)設(shè)備中，也廣泛應(yīng)用于諸如雷達(dá)發(fā)射機(jī)、電子航空?qǐng)D顯示器等軍事領(lǐng)域。傳統(tǒng)的高壓電源體積大、笨重，嚴(yán)重影響了所配套設(shè)備的發(fā)展。目前的高壓電源多采用開(kāi)關(guān)電源形式，大大降低了體積重量，增加了功率，提高了效率。特別是高壓小功率開(kāi)關(guān)電源，幾乎都是開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)。本文所討論的高壓小功率開(kāi)關(guān)電源，是為X射線(xiàn)電視透視系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的。這種系統(tǒng)是對(duì)原始X射線(xiàn)設(shè)備的改進(jìn)，它增加一個(gè)叫做圖像增強(qiáng)器的設(shè)備。這種設(shè)備采用電極對(duì)電子進(jìn)行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

　　方案選擇

　　小功率高壓電源最常用的例子是電視機(jī)的陽(yáng)極高壓發(fā)生器，它將幾十伏的直流電源，通過(guò)功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變?yōu)楦邏狠敵?；另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是負(fù)離子發(fā)生器，常采用晶閘管調(diào)壓方式。以上兩種調(diào)壓方式都需要一臺(tái)單獨(dú)可調(diào)的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復(fù)雜程度。加之，由于電路結(jié)構(gòu)形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調(diào)節(jié)很有限，需要大范圍調(diào)節(jié)時(shí)，只能通過(guò)改變供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。而X射線(xiàn)增強(qiáng)器的主路電壓調(diào)節(jié)范圍近 10kV，上述電路形式很難滿(mǎn)足要求。本文采用的半橋諧振式開(kāi)關(guān)電源，成功地解決了以上問(wèn)題。

　　技術(shù)指標(biāo)

　　輸入電壓220（1±10%）V，（50±0.5）Hz；或?qū)挿秶斎腚妷?80～250V.

　　輸出電壓/電流

　　陽(yáng)極（正）電壓/電流

　　標(biāo)稱(chēng)值+25kV/1mA，

　　電壓范圍+23kV～+32kV；

　　標(biāo)稱(chēng)值+7.35kV/200μA，

　　電壓范圍+6.0kV～+7.8kV；

　　標(biāo)稱(chēng)值+0.985kV/200μA；

　　電壓范圍+0.8kV～+1.1kV；

　　陰極（負(fù)）電壓/電流

　　標(biāo)稱(chēng)值-0.75kV/500μA；

　　電壓范圍-0.5kV～-1kV.

　　以上4路電壓連動(dòng)輸出。

　　穩(wěn)定度1%.

　　工作溫度范圍0℃～+40℃。

　　存貯溫度范圍-40℃～+55℃。

　　外形尺寸160mm×135mm×43mm.

　　圖像增強(qiáng)器的電極在加工時(shí)不可避免存在有毛刺，在高電壓下尖端放電擊穿打火。要把毛刺燒掉，需要有較大的電流。這樣，一方面要求電源輸出功率設(shè)計(jì)得更要大些，另一方面應(yīng)有完善的保護(hù)措施。

　　系統(tǒng)框圖及工作原理

　　25kV小型化高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)框圖

　　輸入的市電經(jīng)凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上。控制電路由最常用SG3525芯片組成?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)高壓部件反饋繞組檢測(cè)輸出電壓的變化量，產(chǎn)生激勵(lì)脈沖去驅(qū)動(dòng)功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。技術(shù)難點(diǎn)及解決辦法

　　1、體積與絕緣

　　這種電源是專(zhuān)為X射線(xiàn)增強(qiáng)器配套的，它被安裝在X射線(xiàn)增強(qiáng)器底座下一個(gè)狹小的空間，因而要求體積小。體積的減小與電路形式的選擇，電路的性能及絕緣，散熱等問(wèn)題有直接關(guān)系。本電路將功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開(kāi)屏蔽放置，并選擇高強(qiáng)度的絕緣介質(zhì)填充高壓部分，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

　　2、高頻高壓變壓器

　　圖2 考慮分布電容的變壓器模型

　　高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓（功率）變壓器中，可以不考慮波形的畸變和工作頻帶的問(wèn)題，因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中，由于匝數(shù)增多，特別是次級(jí)匝數(shù)增多，當(dāng)變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時(shí)，必須考慮分布電容和漏感問(wèn)題。這時(shí)，變壓器模型如圖2所示。L1為漏感，Cp和Cs分別為初級(jí)和次級(jí)的分布電容。變壓器漏感L1和次級(jí)分布電容構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。當(dāng)變壓器次級(jí)開(kāi)路或負(fù)載較輕時(shí)變壓器可看成電感，因而與次級(jí)分布電容Cs構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，其等效電路如圖3所示。發(fā)生諧振時(shí)，電容兩端的電壓會(huì)高出工作電壓，也就是說(shuō)變壓器內(nèi)部的電壓會(huì)高于輸出電壓。這無(wú)形中增大了對(duì)變壓器的耐壓要求。因而在變壓器的繞制過(guò)程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設(shè)各層電容相等，繞組共有m層，則分布電容Cs=C（C為次級(jí)繞組固有電容，N2為次級(jí)繞組匝數(shù)）。當(dāng)次級(jí)匝數(shù)一定時(shí)，次級(jí)等效到初級(jí)的分布電容與次級(jí)的層數(shù)有關(guān)，層數(shù)越多分布電容越小。每一層上的匝數(shù)越少，分布電容越小。為了減小分布電容，采取分段分組繞制方式，并增加層數(shù)，減小每層匝數(shù)。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制示意如圖4所示。

　　圖3 分布電容折合到初級(jí)的等效電路

　　圖4 高壓變壓器繞制示意圖