数字可调式高压直流稳压电源的设计

2万 · 2014-5-24 00:13

　　引言

　　高压电源是核辐射探测仪器中不可缺少的一部分,供给核辐射探测器件(如:正比计数管、GM计数管、光电倍增管以及半导体探测器等)高压,配合其它仪器做能谱分析或放射性强度测量之用。

　　此外,高压直流电源也广泛应用于各行各业,农业领域也有应用,例如农业环境静电除尘,静电喷雾杀虫,农业物料静电喷涂包裹,农产品加工中的静电植绒、农业生物静电效应研究、静电杀菌、农业种子静电处理等等。

　　目前产生高压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法。前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制,而后者则是通过数字电路进行自动控制。传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压,电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦,不能很快获得所需电压,指针读数不精确,也不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自身保护。另外,实验室中的仪器或设备,有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。本文所介绍的数字系统采用键盘输入、程序控制、数码显示,可以很好的解决以上问题。

　　1　硬件电路的设计

　　根据设计要求,采用数模结合,智能控制方案完成数字式高压直流稳压电源的设计。系统可分为数字和模拟两部分,数字部分发挥单片机智能控制功能,并结合显示模块、按键控制模块、APD转换模块、DPA转换模块,使其完成对系统的智能控制,达到能自动控制电源输出电压的大小,实时测量电压并显示。模拟部分包括波形产生电路,倍压整流电路,取样电路,控制电路及外围元件组成。系统控制采用单片机完成,单片机结合软件编程完成LED显示、DPA转换、APD转换、键盘控制、实时电压测量等。单片机采用Atmal公司的AT89C52芯片,软件编程应用汇编语言。

　　方案的原理与系统框图如图1所示。电路由两个PNP型三极管构成推挽型开关电路,波形发生电路产生两个幅度相等、相位相反的方波,分别加在两个开关管的基极,使得两个三极管轮流导通。当开关管导通的瞬间在Q、C、T组成的回路中产生一个很大的电流,根据楞次定律,由于电感两端电流不能突变,使变压器次极产生感应电压,这样初级的能量通过变压器传送到了次极,由于变压器是升压型,这样次极电压高于初级,经倍压整流达到设计所要求的电压。取样电路和键盘输入数据通过单片机处理后,经DPA转换调节电压控制电路,使变压器初级电压大小发生变化,从而使得输出电压也相应的发生变化,达到所需要的电压值。

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　1.1　振荡电路

　　振荡电路的原理图如图2所示,电路采用555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。从图中可以看到:R2、R3、C2是振荡电路的定时元件,调节它们可以得到不同的振荡频率;C1的作用是防止干扰电压对电路的影响。

2万 · 2014-5-24 00:13

　　1.2　隔离与驱动电路的设计

　　由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态,因此电路中会产生大量的高频高次谐波,为了防止这些有害的干扰影响振荡电路和单片机的工作,必须采用严格的隔离和滤波。

　　隔离的方式有许多种,其中效果较为明显的主要有两种,一种是变压器隔离,一种是光电隔离。结合本系统,前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器,使开关管获得足够的推动功率,从而可以减小开关管的损耗,但是,由于其体积较大,市场上很难买到符合要求的变压器,相比之下,后者体积小,价格便宜,因而得到了广泛的应用。本系统采用光电隔离技术,试验证明,光耦隔离可以有效的防止干扰脉冲影响振荡电路的工作。

　　电路采用电压比较器作为驱动电路,它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号,分别加到两个开关管基极,很好的满足电路的要求。这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点,从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的变压器驱动。隔离与驱动电路原理图如图3所示。

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　在图2中,在振荡器与开关管之间接入一光耦元件TLP601,它能有效的隔离高频干扰脉冲,保证振荡电路能正常工作。光耦随着三极管的导通而发光,从而使旁边的光敏三级管导通。电阻R33与R77分压,使得A点电位为2V左右,当Q1导通时,U3的③脚与U4的②脚电位几乎与电源电压VCC相等,因此,U3⑦脚输出为零电平,U4⑦脚输出为高电平,并且现两者的输出幅度相等。R66和R88是上拉电阻,它能有效的改善电压比较器的输出波形。

1.3　开关升压电路的设计

　　主要考虑的有两点,一是开关频率,二是开关管参数的选择。开关管选择的恰当与否直接影响到整个电路的工作。

　　开关管的选择与最大容许集电极电流Icm、集电极最大耗散功率Pcm、三极管的最大反向耐压有关。

　　变换器振荡频率f,一般可在几千赫兹几十千赫兹范围内选择。结合本电路,作为室内使用仪器的供电电源,综合考虑频率高低的优缺点,考虑到变压器的绕制上的困难(初次制作,经验不足),决定选用十千赫兹左右。

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　　1.4　倍压整流电路的设计

　　倍压整流电路适用于输出直流高电压、小电流的小功率整流。倍压整流有半波倍压整流和全波倍压整流。根椐本电路的设计要求,采用了图4所示的电路。

　　它是由高压整流堆D1、D2、D3、D4及倍压电容C5、C6、C7、C8构成的四倍压整流电路。

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　　系统构成及主回路设计

　　图1所示为整机电路原理框图。它的设计主要通过升压功率因数校正电路及DC/DC变换电路两部分完成。115Vac/400Hz中频交流电源经输入滤波，通过升压功率因数校正（PFC）电路完成功率因数校正及升压预稳、能量存储，再通过DC/DC半桥变换、高频整流滤波器、输出滤波电路以及反馈控制回路实现270～380Vdc可调节输出稳压的性能要求。

图1 整机电路原理框图

　　升压功率因数校正电路主要使输入功率因数满足指标要求，同时实现升压预稳功能。本部分设计兼顾功率因数电路达到0.92的要求，又使DC/DC输入电压适当，不致使功率因数校正电路工作负担过重，因此设定在330～350Vdc。

　　隔离式DC/DC变换器电路拓扑结构形式主要有以下几种：正激、反激、全桥、半桥和推挽。反激和正激拓扑主要应用在中小功率电源中，不适合本电源的3000W输出功率要求。全桥拓扑虽然能输出较大的功率，但结构相对较为复杂。推挽电路结构中的开关管电压应力很高，并且在推挽和全桥拓扑中都可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏。而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，而且相对较为简单，开关管数量较少且电压电流应力都比较适中，故不失为一种合理的选择。

　　DC/DC变换电路主要为功率变压器设计，采用IGBT/MOSFET并联组合开关技术和半桥电路平衡控制技术。经过分析计算，采用双E65磁芯，初级线圈12匝，次级绕组圈15匝。

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　　关键技术设计

　　1功率因数校正技术和无源无耗缓冲电路

　　具有正弦波输入电流的单相输入个功率因数校正电路在开关电源中的使用越来越广泛，图2所示为升压功率因数校正和无源无耗缓冲电路。

图2 功率因数校正和新型的无源无耗缓冲电路

　　采用无源无耗缓冲电路，元件全部采用L、C、D等无源器件，既有零电流导通特性，又有零电压关断特性，比传统的有损耗的缓冲电路元件少30%。缓冲电路元件包括L1、C1、C2、D1、D2和D3。

　　可用UC2854A控制主开关SWB，其缓冲电路是不需控制的，并且具有电路简单的特点。其原理是将二极管DB反向恢复的能量和SWB关断时储存在C2中的能量在SWB导通时转移到C1中。在SWB关断时，L1中的储能向C2充电，并通过D1、D2、D3转移到CB中，同时也向CB放电，用这种电路实现了零电压关断和零电流导通，有效地减少损耗，提高了电路的效率和可靠性。

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　　该电路的主要特点是：

开关SWB上最大电压为输出电压VL。
Boost二极管DB上最大反向电压为VL+VE，VE值由IR、L1、C1及C2的相关值决定。
开关SWB上最大电流上升率由L1和V1决定，并且导通损耗和应力很小。
开关SWB上最大电压率由C2决定，并且关断功耗和应力很小。

　　在开关周期中，为获得电流和电压上升率的控制而储存在L1和C2中的能量最终又回到输出电源中，这样确保电路真正的无损耗工作。

　　2 IGBT/MOSFET并联组合开关技术

　　图3所示为IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图。与MOSFET相比，IGBT通态电压很低，电流在关断时很快下降到初始值的5%，但减少到零的时间较长，约1～1.5μs，在硬开关模式下会导致很大的开关损耗。在组合开关中，并联MOSFET在IGBT关断1.5μs后，拖尾电流已减少到接近零时才关断。

图3 IGBT/MOSFET并联组合开关电路及工作波形图

　　这种技术因通态损耗很低而使得DC/DC变换器的效率很高。但需工作频率相对较低，一般选取20～40kHz。由于半桥组合开关只需两个开关，总的开关器件的数目少，使可靠性显著提高。

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　3 半桥电路平衡控制技术

　　通过控制和调整 IGBT/MOSFET栅驱动的延迟时间可使半桥平衡，避免变压器偏磁饱和过流，烧毁开关管。这在脉冲较宽大时，很容易实现。但当轻载或无载时，脉宽很窄（例如小于0.3μs），此时的IGBT/MOSFET延迟已取消。因此在窄脉宽时，为保持其平衡，我们采用了一个低频振荡器。当脉宽小于0.3μs时，振荡器起振使PWM发生器间歇工作，保持脉宽不小于0.3μs，以维持半桥平衡，使其在无载时能正常工作。

　　由于工作频率较低，组合开关的开关损耗很小，通态损耗也很小。

图4 半桥电路平衡控制电路

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　　4 多重环路控制电路

　　平均电流模式控制系统采用PI调节器，需要确定比例系数和零点两个参数。调节器比例系数KP的计算原则是保证电流调节器输出信号的上升阶段斜率比锯齿波斜率小，这样电流环才会稳定。零点选择在较低的频率范围内，在开关频率所对应的角频率的1/10～1/20处，以获得在开环截止频率处较充足的相位裕量。

　　另外，在PI调节器中增加一个位于开关频率附近的极点，用来消除开关过程中产生的噪声对控制电路的干扰，这样的PI调节器的结构如图5所示。

图5 具有滤波功能的PI调节器

　　控制电路的核心是电压、电流反馈控制信号的设计。为了保证在系统稳定性的前提下提高反应速度，设计了以电压环为主的多重环路控制技术。电流环响应负载电流变化，并且有限流功能。设计电路增加了对输出电感电流采样后的差分放大，隔直后加入到反馈环中参与控制，调节器增益可通过后级带电位器的放大环节进行调节。这样电源工作在高精度恒压状态下，输出动态响应，使电源在负载突变的情况下，没有大的输出电压过冲。

2万 · 2014-5-24 00:17

　5提高散热效果，降低热阻

　　为了减小整机体积，达到合理的功率密度，采用了强迫风冷方式。对于风冷散热器来说，风速的大小直接关系到散热效果的优劣。由于要求前后通风，在设计时应考虑：

保证风速达到一定的要求（V= 6m/s），并考虑风压的影响。当风压低于散热器压头损失时，冷却风根本就吹不过去或风速很低，达不到提高散热率的目的。
由于散热器及翼片间隙同风道与散热器间隙有很大差别，当风压过低时，可以在进风口散热器与风道的间隙间加挡流栅板或喇叭型的进口，强迫风从散热器的翼片间流过。

　　升压电感、主变压器、输出滤波电感成一排固定在散热器上半部，主板固定在散热器下半部；主板上的功率器件如功率开关管、输出整流管通过钢板压条固定在散热器上，主板上半部放质低元器件、下半部放置高元器件，风扇放置在散热器前中上位置并固定在前面板上，采用前进风后出风方式。

　　军用高频开关电源产品不但要考虑电源本身参数设计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、结构设计、安全性设计和三防设计等方面。因为任何方面哪怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到军用高频开关电源产品可靠性设计的重要性。

　　试验结果

　　对设计参数进行试验，试验结果如图6～8所示。

图6 DC/DC初级电压波形（满载）

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图7 DC/DC次级电压波形（满载）

图8 高频电感电流模拟器波形

2万 · 2014-5-24 00:18

　从表1可以看出，测试结果符合协议的规定，其中功率因数、效率、电源调整率、负载调整率、输出噪声等参数优于协议要求。

数字可调式高压直流稳压电源的设计

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