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1、毕业论文(设计) 题 目 50kV直流高压电源的设计 学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 X年X月X日目 录1引言12 高压直流电源的概述12.1开关直流电源的种类12.2 高压直流电源发展中的问题和难点22.3国内外研究现状和发展趋势33 高压直流电源的主电路设计43.1 低压直流电路的设计43.1.1 整流电路43.1.2 稳压电路设计53.2 逆变电路设计63.2.1 逆变谐振电路拓扑结构的比较63.2.2振荡逆变电路的设计83.2.3半桥逆变电路开关器件的选取93.2.4 控制器原理93.3脉冲变压器103.3.1 脉冲变压器的原理103.3.2脉冲变压器的选择113.4倍压电
2、路的设计123.4.1 倍压电路的原理123.4.2倍压电路的具体设计144 仿真与分析154.1 Proteus简介及其特点154.1.1 Proteus简介154.1.2 Proteus的特点154.2 基于Proteus的电路仿真154.2.1电压频率对稳定时间以及纹波系数的影响164.2.2电容大小对纹波的影响184.2.3倍压电路电容、高压硅堆与电阻的选取194.3 串级高压整流电路的结构设计205 总结20参考文献20致谢22ABSTRACT23II50kV直流高压电源的设计摘要：设计了一种050可调的直流高压电源，通过AC-DC-AC-DC变换技术实现。本电源主要由低压直流电源、
3、稳压电路、振荡逆变电路及倍压电路组成。通过将市电（即220V民用电）降压、整流、稳压、逆变、振荡、升压、倍压整流等环节变换成高压直流电源。该电源输出电压在050kV范围内可调，纹波系数5%。最后进行了了5倍压串级整流发生器的结构设计.关键词：高压直流电源；整流稳压；逆变；升压；串级整流发生器1引言 高压直流电源是将工频电网电能转变成特种形式的高压电源的一种电子仪器设备，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。而在日常生活中，直流电源应用非常广泛，小至家用电器的供
4、电电源，大至大型发电厂、水电厂、超高压变电站、无人值守变电站作为控制、信号、保护、自动重合闸操作、事故照明、直流油泵、各种直流操作机构的分合闸，二次回路的仪表，自动化装置的控制交流不停电电源等用电装置的直流供电电源。其也广泛应用于军事及其科学研究等领域。直流高压电源也有一些先进的变换技术，如零电流串联和并联谐振开关技术（即ZCS）；零电压LCC谐振逆变技术（即ZVS）；软开关和相控谐振技术；正反激励和推挽逆变器技术。高压直流电源有着广阔的发展前景。本文设计了一种50kV直流高压电源。其特点是直流高压从050kV连续可调，纹波系数小于5%，体积小、重量轻、绝缘性好、性能稳定。可用于为高压储能网络
5、充电，也可单独作为一种直流高压电源使用。2 高压直流电源的概述2.1开关直流电源的种类开关型直流电源与线性直流电源不同，直流电源就是开关型直流电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性直流电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几万赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关直流电源因此而得名1。开关直流电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性直流电源来说纹波较大（一般1% (P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦几千瓦均有产品，价位为3 元十几万元/瓦不等，下面就一般习惯分类介绍几种开关直流电
6、源：(1)通信直流电源通信直流电源其实质上就是DC/DC变换器式直流电源，只是它一般以直流48V或24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。(2)电台直流电源电台直流电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V，功率由所供电台功率而定，几安几百安均有产品.为防止AC 电网断电影响电台工作，而需要有电池组作为备份，所以此类直流电源除输出一个13.8V直流电压外，还具有对电池充电自动转换功能。(3)模块直流电源随着科学技术飞速发展，对直流电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块直流电源越来越
7、显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。(4)AC/DC直流电源该类直流电源也称一次直流电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC 变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信直流电源中的一次直流电源（AC220输入，DC48V或24V输出)也属此类。(5)DC/DC直流电源在通信系统中也称二次直流电源，它是由一次直流电源或电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC
8、变换以后在输出端获一个或几个直流电压。DC/DC模块直流电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该直流电源模块还是合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。2.2 高压直流电源发展中的问题和难点随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现，并不断地被应用于开关电源，使得开关电源的性能不断提高，特点不断更新，出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。现代的高压开关直流电源有两大技术特别突出。1）
9、关键功率新部件的应用（1）快速转换器件，像晶体管、功率MOSFETS、IGBTS、SCRS等；（2）低功耗、高性能，适用于高频的新型变压器铁心材料的应用，比如铁氧体、非晶材料等；（3）低耗散因素的大容量电容的发展和应用；（4）低前向电压降的快速整流器应用等。2）先进变换技术的发展（1）零电流串联和并联谐振开关技术(即ZCS)；（2）零电压LCC谐振逆变技术(即ZVS)；（3）软开关和相控谐振技术；（4）正反激励和推挽逆变器技术。（5）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，出现了新的技术
10、难点：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；大电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，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；高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。最近出现的平面变压器在设计理念上不同于传统的设计方式，普通平面变压器已经投入生产和应用，如果高频高压变压器也能平面化，将会再次大大缩小电源体积，提高其工作效率。（6）由于高压电源的频率很高，导致功率开关器件开断频繁，能耗增大，这就对逆变器的拓扑结构应有所选择。采用软开
11、关和同步整流技术，可有效降低伴随高频化带来的损耗。同时采用逆变器和准谐振电路相结合的技术，通过电压或电流的谐振，使开关打开或断开时电压或电流为零，使能耗大大减小。为了减少变压器漏感的不利影响，可以将变压器漏感作为逆变器的一部分，即逆变-谐振-变压器漏感，用一体化思想进行整体设计。（7）在控制检测部分，高频高压开关电源采用了数字集成电路(IC)，而不像线性电源完全是模拟电路。开关电源以模拟方式控制输出电压，以数字方式进行开关操作，高精度而稳定地输出电压。采用数字控制技术，可进行连续和不连续模式的转换，采用PWM(脉宽调制技术)和PFM(频率调制技术)，和DCDC(直流-直流)变换器、逆变器等技术
12、，出现了强电弱电间的相互影响加强。检测部位的高压电压(近10kV)，对后续的电子元器件(精密电阻等)提出了更高的性能要求。目前，国外高压直流电源比较成熟，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，然而价格比较昂贵，国内直流高压电源研究起步较晚，与先进国家相比有较大差距。尤其在高频、高性能直流高压开关电源方面，国内还没有形成批量生产能力。2.3国内外研究现状和发展趋势在国外，从70年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压，美国GE公司生产的AMX-2移动式X线机把蓄电池供给的直流电逆变成50
13、OHz的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入80年代，高压开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小2。近十年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高:如Philips公司30kw以下移动式X光机的X线发生装置频率达30kHz以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达4OkHz。98年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功100kHzX线机发生器。另外，高压开关电源的功率也在不断
14、地提高，10-30kw的大功率高压开关电源在产品上己很成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如:用于雷达发射机的140kw高压开关电源(俄罗斯)3；用于脉冲功率技术中的300kw大功率恒流充电电源(美国EEV公司)等等。可以看出，高压开关电源的发展的主要趋势是:频率不断提高，功率不断增加。我国自80年代初开始对高频化的高压大功率开关电源技术进行研究，分别列入了“七.五”、“八.五”、“九.五”国家重点攻关项目。国家“八五”攻关项目(85-805-01)，200kV高压直流开关电源的研制，输出功率达20kw4；国家自然基金资助项目(69871002)产生高浓度臭氧用20kHz高压逆变电源的
15、研制，电源的转换效率80%，输出功率最高达20kW，电源体积降至原体积1/5，臭氧发生器体积降为原来1/6，O3；体积质量最高可达250g/m3，还减少了原材料消耗5；静电除尘高压直流电源也实现了高频化，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压，在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。总之，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。3 高压直流电源的主电路设计 高压直流电源由低压直流电路、逆变器、升压电路、倍压整流电路、输出电路、控制及保护电路组成。如图1所示：图1 直流高压电源主
