高压电源特点及设计

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1、高压电源的特点与设计高压电源的特点与设计 演讲者戴斌演讲者：戴斌 世纪电源网版主乞力马扎罗的雪世纪电源网版主：乞力马扎罗的雪 联系方式bd163联系方式：ben.day 高压电源的广泛应用高压电源的广泛应用 高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用是 非常广泛的，其应用领域主要在以下方面： 高压放电类高压放电类 高压静电场类 电子与离子加速器类 高压电源电路结构高压电源电路结构 特点特点 特点特点 1 特点特点 2 特点特点 4 特点特点 3 高压变压器的特点高压变压器的特点 高压变压器等效模型高压变压器等效模型 高压变压器绕组实例高压变压器绕组实例 这种结构的绕 组通常称为蜂 窝式绕组或蜂

2、窝式绕组或蜂 房式绕组，结 构很复杂需构很复杂，需 要用专用的绕 线机才能够完线机才能够完 成。 高压变压器绕组实例高压变压器绕组实例 因为蜂窝式绕因为蜂窝式绕 组结构复杂， 工艺难度很大， 所以高压绕组所以高压绕组 常会采用多槽 骨架的绕组结骨架的绕组结 构。可有效降 低分布电容低分布电容， 并保证绕组绝 缘。 常用高压电源电路结构常用高压电源电路结构 特点特点 特点特点 1 特点特点 2 特点特点 4 特点特点 3 直流高压电源整流滤波电路特点直流高压电源整流滤波电路特点 因为直流高压电源的输出电压很高，所 以次级通常采用倍压整流电路或多绕组 分别整流后串联的结构通常采用电容分别整流后串联

3、的结构。通常采用电容 滤 波 ， 极 少 采 用 LC 滤 波 。滤 波 ， 极 少 采 用滤 波 半波偶数倍压整流电路半波偶数倍压整流电路 元件的电压应力：最低端 的电容C电压应力为Up， 其他的电容电压应力为其他的电容电压应力为 2Up，二极管的电压应力 为2Up，变压器次级峰值为 Up，变压器次级峰值 电压为Up。 半波奇数倍压整流电路半波奇数倍压整流电路 元件的电压应力：最低端 的电容C电压应力为Up， 其他的电容电压应力为其他的电容电压应力为 2Up，二极管的电压应力 为2Up，变压器次级峰值为 Up，变压器次级峰值 电压为Up。 全波偶数倍压整流电路全波偶数倍压整流电路 全波奇数倍

4、压整流电路全波奇数倍压整流电路 倍压整流电路的优缺点倍压整流电路的优缺点 优点： 变压器匝比小次级输出电压低变压器工艺较简单变压器匝比小，次级输出电压低，变压器工艺较简单； 次级匝数较少，分布电容相对较小； 对输出功率有自动限制功率的能力对输出功率有自动限制功率的能力。 缺点缺点： 带负载能力差，不适合大功率应用； 输出高频纹波比较大输出高频纹波比较大； 电压建立时间长，某些应用被限制。 变压器次级多绕组整流串联变压器次级多绕组整流串联 适用于几KW至几十KW的大功率高压电源。例如医 院做胸透的X光机高压电源一般需要5080KW的院做胸透的X光机高压电源，般需要5080KW的 瞬间功率，最高电

5、压约150KV，要求KV与mA上升 时间在几个毫秒内越快越好多会采用这种结构时间在几个毫秒内，越快越好。多会采用这种结构 的电路。 常用高压电源电路结构常用高压电源电路结构 特点特点 特点特点 1 特点特点 2 特点特点 4 特点特点 3 高压电源采样电路特点高压电源采样电路特点 R1 C1 R2 C2 R3 分压用的高压电阻的分布电容较小， 所以可以用外部并联已知固定电容的 方式来消除分布电容的不确定性的影 R3 C3 方式来消除分布电容的不确定性的影 响。并联电容容量通常在几十pF到 1nF左右实际电路中高压电阻并 R4 C4 1nF左右。实际电路中，高压电阻并 联的C1、C2、C3等电容

6、容量比上面 公式中的数值略大。目的是给反馈环公式中的数值略大目的是给反馈环 路提供一个超前补偿，增加反馈环路 的带宽。 高压电源采样电路特点高压电源采样电路特点 陶瓷电容A陶瓷电容B 常用高压电源电路结构常用高压电源电路结构 特点特点 特点特点 1 特点特点 2 特点特点 4 特点特点 3 高压电源功率变换电路特点高压电源功率变换电路特点 48V/10A，600W通讯电源 可选功率变换拓扑方案： 30KV/20mA，600W高压电源 可选功率变换拓扑方案：可选功率变换拓扑方案： 1，双管正激 可选功率变换拓扑方案： 1，电压型BUCK+不可控逆变电路 2，PWM半桥 3LLC半桥/全桥 2，电

7、流型BUCK+不可控逆变电路 3带辅助谐振网络的移相全桥3，LLC半桥/全桥 4，移相全桥 3，带辅助谐振网络的移相全桥 4，LC/LCC/LLCC谐振变换器 注：关于高压电源功率变换拓扑的 简介，可以参考作者在21dianyuan 网的另一篇PPT文档高压电源电 路与应用 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 此外根据电路我们知道整流此外，根据电路我们知道，整流 二极管导通电流在半个周期内的 平均电流应等于输出电流。 其中表示近似为弦

8、波的电感电流峰值其中，ILm表示近似为正弦波的电感电流峰值 =2f，f 是开关频率 若整流二极管的导通角为 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 我们将升压变压器、整流桥、滤波电容与负载等效为一个RC网络。采用 正弦近似的方法，把逆变器输入方波用其傅立叶展开后的基波代替。正弦近似的方法，把逆变器输入方波用其傅立叶展开后的基波代替。 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 我们需要定义2个变量，一个是1，是Cp上电压基波峰值通过变压器到 输出电压Vo的增益系数。输出电压Vo的增益系数。 另一个定义的变量是是这个RC网络输入电压与电流相位之差由

9、于另一个定义的变量是，是这个RC网络输入电压与电流相位之差。由于 Re上消耗的功率应该等于输出负载Ro的功率，所以我们得到： LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 C2=Ce+Cp 定义L1、C1串联谐振频率为fr，开关频率为fs，=2fs，定义L1、C1串定义L1、C1串联谐振频率为fr，开关频率为fs， 2fs，定义L1、C1串 联电路阻抗为Z1，L2、C2、R并联电路阻抗为Z2，定义F=fs/fr LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 这样我们就可以求得从输入到等效负载网络的基波增益M1表达式：这样我们就可以求得从输入到等效负载网络

10、的基波增益M1表达式： LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 在直流高压电源中，我们需要求解的是直流电压增益，设为KDC，则在直流高压电源中，我们需要求解的是直流电压增益，设为KDC，则 LC/LCC/LLCC谐振变换器LC/LCC/LLCC谐振变换器 在前面的计算中，我们用到了两个自定义的变量1与，这2个变量可以通过详细 分析电路的工作时序，用整流二极管的导通角来表达出来，下面直接给出二者 的表达式，详细的推导过程，请参考论文： 1、An RC Load Model of Parallel and

11、Series-Parallel Resonant DC-DC Converters with Capacitive Output FilterCapacitive Output Filter Author：Gregory Ivensky etc. 2、考虑分布电容的高压直流电源谐振参数设计 作者：吴为麟等 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 设计要求：400Vdc输入，30KV20mA输出，开关频率50KHz 方案采用全桥LLCC谐振变换器输出采用3阶半波6倍压整流方案：采用全桥LLCC谐振变换器，输出采用3阶半波6倍压整流。 假设输出的高频纹波为1%，那么按

12、照3阶半波6倍压的纹波计算公式有： 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 选择合适的变压器变比n，使电压增益KDC数值在12之间比较合理。这里取n=10。 绕制一个匝比为60:600的高压变压器，测量得到初级电感量为11mH，次级电感 量为1100mH，变压器初级漏感约30uH，测得次级分布电容约为66pF，此分布电 容折算到原边为6.6nF。有文献建议串联电容C1的值取为次级分布电容折算到原 边的值的2倍。在这里，我个人以为，C1的取值可以在210倍范围内都是可行的。 不建议C1取值太小，那样会使C1承受较大的电压应力。在本例中，C1取值22nF。 把上述参数

13、带入前面的公式计算，可以得到： 二极管导通角 =1 83rad=104 76二极管导通角 1.83rad 104.76 RC网络电压电流相位差=0.43rad=24.50 RC网络模型中的Cp电压到Vo的增益系数1=1.21188RC网络模型中的Cp电压到Vo的增益系数11.21188 直流电压增益KDC=1.29896 从输入到等效负载网络的基波增益系数|M1|=1.23636| 功率驱动电压超前电流角度=31.28 谐振电感L1=1291uH，谐振电感峰值电流IL1pk=2.76A p 串联电容C1的峰值电压VC1pk=398.88V 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA L

14、LCC电路仿真 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 输出电压 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 输入电压与电感电流波形 30KV20mA LLCC电路仿真30KV20mA LLCC电路仿真 串联电容C1的电压波形 总 结总 结 简单介绍了高压电源的应用与各部分电路的 特点。特点。 介绍了适用于高压电源的LC/LCC/LLCC模型 的建立与计算。 通过个30KV/20A高压电源的仿真结果验通过一个30KV/20mA高压电源的仿真结果验 证了LLCC模型的正确性。 欢迎大家多多到世纪电源网（）来参 与技术交流！