一、引言
高壓電源，又名高壓發(fā)生器，英文：High voltage power supply,一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達(dá)幾萬(wàn)伏，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)伏特或更高。我們通常所說(shuō)的高壓電源，一般泛指直流高壓電源，直流高壓電源又有線性調(diào)整高壓電源和開(kāi)關(guān)型調(diào)整高壓電源兩種。其技術(shù)發(fā)展方向主要有兩個(gè)，一是提高電源功率，即高電壓、高電流；二是縮小電源體積，即高電壓，小體積，縮小電源的體積主要是提高電源的開(kāi)關(guān)頻率。高功率電源，往往體積較大，而小體積電源，往往電流較小，功率較低。除此之外，高轉(zhuǎn)換效率，高負(fù)載，高精度，低紋波，也是高壓電源設(shè)計(jì)者的研究方向。
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。
二、方案選擇
1.用途
高壓電源用途很多，主要包括了X光機(jī)高壓電源，激光高壓電源，光譜分析高壓電源，無(wú)損探傷高壓電源，半導(dǎo)體制造設(shè)備高壓電源，毛細(xì)管電泳高壓電源，無(wú)損檢測(cè)高壓電源，半導(dǎo)體技術(shù)中的粒子注入高壓電源、物理汽相沉積高壓電源（PVD），納米光刻高壓電源，用于離子束沉積、離子束輔助沉積、電子束蒸發(fā)、電子束焊接、離子源、直流磁控反應(yīng)濺射、玻璃/織物鍍膜、輝光放電、微波處理高壓電容測(cè)試、CRT顯示器測(cè)試、高壓電纜故障測(cè)試（PD testing）、TWT測(cè)試、H-POT測(cè)試。粒子加速器、自由電子激光、中子源、回旋加速源器、電容電感脈沖發(fā)生網(wǎng)絡(luò)、Marx高壓脈沖發(fā)生器、電容充電器。微波加熱、射頻放大、納米技術(shù)應(yīng)用、靜電技術(shù)應(yīng)用、靜電紡絲制備納米纖維，核儀器用高壓電源等的高壓電源產(chǎn)品。
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。
三、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。
四、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?？刂齐娐酚勺畛Ｓ肧G3525芯片組成。控制電路通過(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。五、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射線增強(qiáng)器配套的，它被安裝在X射線增強(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
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2 考慮分布電容的變壓器模型
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
實(shí)踐證明，分段分組繞制法還較好地解決了高壓變壓器的絕緣問(wèn)題。
3. 輸入電壓范圍的調(diào)制
工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)困難。不但調(diào)整率很差，而且在輸入電壓超過(guò)一定值時(shí)，電源無(wú)輸出，或輸出電壓不穩(wěn)定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時(shí)的導(dǎo)通脈寬很窄（呈窄脈沖工作狀態(tài)）。當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長(zhǎng)。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的閉環(huán)控制，導(dǎo)致整個(gè)電路關(guān)閉。為解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入電壓調(diào)節(jié)電路，如圖5所示。
圖5 輸入電壓調(diào)節(jié)電路
它實(shí)際上是一個(gè)輸入電壓預(yù)穩(wěn)壓電路，輸入電壓經(jīng)過(guò)它，成為基本穩(wěn)定的電壓，再加到主電路（開(kāi)關(guān)電路）上。
經(jīng)過(guò)調(diào)試，試驗(yàn)和長(zhǎng)期裝機(jī)應(yīng)用，證明了該電路的穩(wěn)定與可靠。表1是設(shè)置輸入電壓調(diào)節(jié)電路與沒(méi)有設(shè)置時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，這里只給出輸出主電路（25kV）參數(shù)。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調(diào)整率大大提高，輸入電壓調(diào)節(jié)范圍也增至250V。
表1 輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響
由于上電時(shí)，輸入端瞬間沖擊電流很大，對(duì)輸入電壓調(diào)節(jié)電路造成危害。為此，還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了輸入緩沖電路。
另外，高壓電源變壓器的變比n大，變壓器次級(jí)反饋到初級(jí)變化率較小，帶來(lái)的問(wèn)題是穩(wěn)壓效果不理想。這樣，還設(shè)計(jì)了輸出電壓預(yù)穩(wěn)壓電路。因篇幅有限，實(shí)際電路從略。六、開(kāi)關(guān)電路的仿真實(shí)驗(yàn)
所謂開(kāi)關(guān)電源，故名思議，就是這里有一扇門(mén)，一開(kāi)門(mén)電源就通過(guò)，一關(guān)門(mén)電源就停止通過(guò)，那么什么是門(mén)呢，開(kāi)關(guān)電源里有的采用可控硅，有的采用開(kāi)關(guān)管，這兩個(gè)元器件性能差不多，都是靠基極、（開(kāi)關(guān)管）控制極（可控硅）上加上脈沖信號(hào)來(lái)完成導(dǎo)通和截止的，脈沖信號(hào)正半周到來(lái)，控制極上電壓升高，開(kāi)關(guān)管或可控硅就導(dǎo)通，由220V整流、濾波后輸出的300V電壓就導(dǎo)通，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器傳到次級(jí)，再通過(guò)變壓比將電壓升高或降低，供各個(gè)電路工作
開(kāi)關(guān)級(jí)電路原理圖如圖6所示。這里開(kāi)關(guān)級(jí)的負(fù)載是高頻高壓變壓器，它的輸入特性與負(fù)載的特性有關(guān)。在高壓小功率應(yīng)用中，由于輸出電流小，負(fù)載電阻大，次級(jí)整流二極管的導(dǎo)通角很小。為便于建立仿真模型。可忽略負(fù)載電阻的影響。
圖6 開(kāi)關(guān)電路電原理圖
由于應(yīng)用了仿真技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，降低了設(shè)計(jì)周期。用PSPICE仿真程序?qū)D6電路分為輕載10μA和重載1mA兩種情況進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖7(a)和圖8(a)。在以后進(jìn)行的電路實(shí)驗(yàn)中，實(shí)測(cè)的電流波形見(jiàn)圖7(b)和圖8(b)與仿真的波形基本相符。另外，從仿真波形還可看到輕載時(shí)的浪涌電流峰值較大，與重載時(shí)幾乎相等。變壓器空載損耗增加，導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，這是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。
圖7 輸出電流為10μA時(shí)的變壓器初級(jí)電流波形
圖8 輸出電流為1mA時(shí)的變壓器初級(jí)電流波形
七、結(jié)語(yǔ)
經(jīng)過(guò)小批量生產(chǎn)和幾年的裝機(jī)使用，證明該電源達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，性能穩(wěn)定、可靠，可以替代同種類(lèi)產(chǎn)品（例如日本某公司生產(chǎn)的湯姆遜電源）。
在X射線增強(qiáng)器生產(chǎn)工序中，需配置一臺(tái)大功率的高壓（輸出電壓高達(dá)30kV）電源，對(duì)半成品進(jìn)行老化，打毛刺。由于本電源性能已滿足上述要求，可以用來(lái)替代這臺(tái)大功率電源，既節(jié)省了設(shè)備，又縮短了生產(chǎn)加工周期。
本文論述了一種小型化的高壓電源，它一改傳統(tǒng)的高、低壓組合式為一體化式，從而使體積、重量都大大減小。同時(shí)指出了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在高壓小功率電源應(yīng)用中存在的問(wèn)題和解決辦法。在研制和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用了PSPICE仿真技術(shù)，給出實(shí)測(cè)和仿真波形。