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高压开关电源设计

分类号UDC

密级:

——编号:

——

工学硕士硕士学位论文

（高校教师

高压开关电源设计

硕士研究生:

指导教师:

学位级别:

学科、专业;

所在单位:

论文提交日期:

论文答辩日期:

学位授予单位:

孟繁荣

叶秀芬教授

高校教师

控制理论与控制工程

自动化学院

2005年12月15日

2006年03月05目

哈尔滨工程大学

Y.936219

晗尔滨工程大学硕士学位论文

摘要

高压直流电源在日常的生产、生活中有着广泛的应用,尤其在军事、医疗和绝缘测试等领域应用更为频繁。

传统的高压直流电源采用线性电源技术的较多,这种结构形式造成电源整体效率较低,性能一般,体积大,重量沉。

随着开关电源技术的进步和发展,各类用途的直流电源都倾向于采用开关电源技术。

开关电源以其线性电源无法比拟的特点和优点已经成为电源行业的主流形式。

开关电源技术应用于高压直流电源领域,使高压直流电源变得体积小,重量轻,效率高,性能更好。

本次论文研究工作是针对x射线发生装置设计所需高压电源。

论文首先介绍了目前高压直流电源领域的发展情况,和X光管工作的基本原理,论证了各种开关电源主电路的拓扑结构,由于单一结构形式的变换器难以满足系统功能和性能指标的要求,提出了一种组合式结构,以半桥式变换器组合降压斩波电路的主电路结构形式,应用MATL~B仿真验证了系统设计的可行性。

然后论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算,对变换器中较为关键的高压变压器进行了具体设计,并指出了变压器制造过程中影响性能指标的关键因素和解狭办法。

控制电路设计中选用开关电源专用芯片TL494作为主要控制芯片,应用精密运算放大器和隔离反馈元件构成系统的反馈和PI调节控制器,应用控制领域使用晟为广泛的5l系列单片机构成控制电路中的数字控制部分,结合信号检测技术,组成具有完善控制和保护功能的电源系统。

在论文的系统调试部分记录了此次设计的电源的调试步骤和过程,以及每步调试的波形和数据,尤其重要的是发现并记录了TL494的设计缺陷,提出了补救方法。

经过多次试验和反复补充修改设计,最终制成了一台具有较高性能指标的高压开关电源样机。

关键词i开关电源;半桥;TL494

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A6s昀cf

Hi曲VoltagedirectcuH_empowersupply（}ⅣDcPsisappliedbroadlyindailylifea11dprodljction,especiallyusedf}equentlyinmilitary,medicalarldinsulationteSt.Tmditi伽IalHVDCPSmainlvado口tstechnolo蝌of1inearpowersupplySuchtypeofs仃ucturemakesthewholee硒ciencyofpowersupplybe10w,commonp幽Hnance,largeandheavy.Witht11edevelopmentandadvancement

ofs“tchpowersupplytechnology（SPST,dircctcurrentpowersuppliesindifrerentuseareiIldinedt0adoptSPST,SwitchpowerSupply（SPShasbeenthemainstre跏ofpowersupplyindus虹yduetoitschamctcristicsandadvantagewimwhjchlinearpowersupplycannotbecompared.SPSappliesinthefieldofHVDCPS,nmakesHVDCPSbesmall,lig蛾,11i曲e撬ciencyandbe雠erperfonrmce.

Theresearch、ⅣorkinthispaperaimsatHVDCPSneededbydesignofX.raygenerationdevice.AtfirsL伍ecurr即tdevelopmentofHVDCPSfieldisintroduced,钲ldalsotheb硒icp血1cipleofX.r科mbe.Itdemonstratesyarioustopologyst】mctllresofmaincircuitsofSPS.Because也econvertorwit上1singletypeofstrucnlrecannotmcettlleneed

ofsystem‰ctionandpe—bnnanceindex,itpresentsacombiIled曲nlcture,matis,tllemaillcircuittypeofsml种ureofhalf-bridgeconvertorco瑚binedb00stchopDer.Thefeasibili坪0fsystemdesi蛐is把stifiedbyMatlabsimlllation.Then,theparaIIletersofmajncomponentsofmaincircuitarecomp啦ed.Thekey11ighvoltagetrans南mlerincOnver幻riseIesigned.Atthes锄etime,itpoimsout也ekeyfactors,whichhavee埔;ctonperfomlaIlceindexin也eprocessofdesi掣ling趾dprodllctionof仃ansfonner,andgivesthesolution.Atlast,TL494洲pisselected船tllemaincontrolcIlipindesignmgofcontrolcircuit.ThesystemfeedlackandPIcontrollercoIlSistofprccisionoperationamplifier觚dseparatedfeedbackcOmponent.Anddig“a1controlismadeof51seriesSCMⅥ蛐chistllemost谢dclyusedin协efieldofcon订01.111etechn0109yOfdetectioniscombincdt0compose也epowersuppIysystem,whichhasmeperfectcon订olandp眦ectionfIlnction.

Thedebugg{Ilgprocedurea11dprocessoftlledesignarerecordedin也epartofs”temdebugging,孤dalson玲聃氇ves卸ddataheachstepofdebu髂ing.Whatisimport趾tisthatitfindsandrecordst11edesi呈皿defcctofTL494.Andtheremedywavispresented.ARerr啪vtimestestsandmodi母ingdesign,as锄plemachineofswitchhi曲voltagepowersupplywi也highpeff0HnaIlceindexisfinished.

Keywords:

Switchpowersupply;half-bridge;TL494

哈尔滨工程大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明:

本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。

除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已公开发表的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者（签字:

至丝臼期:

。

∈年\月（口曰

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第1章绪论

1.1高压直流电源简介咖‘帅1

在当今的军事、工业、日常生活等领域,高压直流电源有着广泛的应用,尤其在绝缘测试和医学方面。

在电工材料和绝缘测试领域经常用高压直流电源去检测绝缘材料和高压电气设备的介电强度,有时还用高压直流电源代替高压交流电源进行电力电容器、电力电缆等的耐压试验;在医学方面高压直流电源是经常用于x光机、cT等大型设备。

传统的高压直流电源通常用工频交流电源经升压变压器升压、整流滤波而得。

如图1.1所示,其中T为升压

变压器,C为滤波电容,R1、R2为电

阻主要起限流保护的作用。

对于电压

不是很高的场合,可用半波整流电

、j路,全波或桥式整流电路得到直流电

t一’

压。

在实际应用中升压变压器之前

要加自藕调压器,通过调整自藕调压

器实现调整高压直流输出的目的。

TR1I毪一一口一厂[]、士C=二图1.1整流电路这类整流电路优点是接线简单,缺点是所用设备、组件的电压较高,体积、重量和占地面积大,一般只能作为试验室内使用。

上述高压整流线路所能获得的最

高直流电压,只能是接近变压器输出

7.电压的峰值。

对于要获得比峰值更高

的直流电压,而且电流比较小的情况,

就要采用倍压整流电路,如图l_2所

示。

电路工作过程是这样的,在正弦

波负半周电源通过V2对C1充电,在正弦

C1V1}1…'l丕c2{

p图1.2倍压整流电路。

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波的正半周,电源和C2同时对c1充电,c2上获得的电压约为电源电压的峰值和C1上电压的和,因此,经过几个周期后,c2上的电压约为变压器输出电压峰值的2倍。

若要更高的直流电压,可以把几级倍压电路串接在一起,每一级都能获得约2倍峰值电压的直流电压。

着有:

n级串联,则可得到2n倍的直流电压,但级数越多,内阻抗越大,实际输出电压比预期值小得越多,同时脉动系数也越大。

因此,级数不宜太多,一般不超过5级。

1.2高压开关电源简介H1

随着电力电子器件和相关应用技术的发展,作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。

以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。

高压直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并己广泛地应用于系统之中。

应用电力电子器件产生高压直流的结构框图见图1.3,交流电源经整流单元整流、滤波后,变成低压直流,逆变单元由控制单元控制,使低压直流电压逆变成高频方波电压,经高频变压器形成高频高压的方波电压,然后经高压整流输出变成直流高压,电压反馈单元将输出的高压信号反馈到控制单

控制单元卡—{电压反馈单元

图1.3应用电力电子器件的高压直流电源的结构图

元,只要调整控制单元的设定电压,就可调节直流高压的输出电压。

其中整流单元通常采用不可控桥式整流,结合电感和电容加以滤波;逆变单元根据所含开关管数量,可以分为单管、双管（半桥式和推挽式和四管（H桥式,根据开关频率和电流电压参数不同,开关组件多用IGBT和MOSFET;高频变压器最重要的参数是频率,通常频率在几KHz至几十I（Hz之间。

采用开关电源技术的高压直流电源具有体积小,重量轻,控制精度高,2

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稳定度高,纹波系数低,保护速度快等优点,因此它必然在高压直流电源中有更广泛的应用。

1.3高压开关电源发展趋势口1

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一2移动式x线机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz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组件,将电源的开关频率提高到20kH以上。

并将干式变压器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。

近十年来,随着电力电予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40kHz。

98年以后通用电气公司和瓦瑞安公司都研制成功100kHzx线机发生器。

另外,高压开关电源的功率也在不断地提高,lO一30kw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;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:

（1频率不断提高

（2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20Kw:

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,还减少了原材料消耗;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1

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件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15IIlA,工作频率为25.6kHz.总之,我国高压开关电源技术己取得了很大的进步,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。

1.4x光管介绍

X射线的发生主要是应用x光管。

中小型x光管,功耗较低,采用自然冷却的方式,管体的尺寸小,使用寿命长。

工作时在钨丝两端加上灯丝电压加热使其发射热电子,再通过x光管阴极、阳极间的高压使其加速成为高速电子。

当它轰击阳极时,会激发出x射线。

要使钨丝中的电子能够克服金属表面势垒的吸引而逸出,必须获得一定的能量用来做逸出功。

若不考虑外加电场,发射的电子流密度与金属温度的关系如下:

一‰“

L,o=Ar28百（1—1其中:

一=删oe。

“60∽・啪一・芷。

D为平均透射系数,A为常数120.4（彳・绷~・足.2,邑"为r=O时的逸出功,足为常数、丁为绝对温度。

可见金属的热电子发射电流密度与温度丁和逸出功E。

。

是指数关系。

考虑到外加电场,则:

ln以:

ln¨挈睦罐（1_2

。

其中:

圪为阳极电压,d为阴、阳极间距离（cm。

由于阴阳极材料不同,%、k分别为阴极、阳极的逸出功,%一‰=兰生翌表示接触电位差。

平均发射一个热电子所需要的能量为:

E。

EM+2尼71（1~3若热阴极发射电流为J。

则维持其稳定发射的功率为:

尸:

皇!

（卜4由于在钨丝两端加上灯丝电压,钨丝流过电流产生发热,导致温度上升,4

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根据能量守恒定律有Q=矽,即:

坐:

生:

坐:

垦（1—5RB

其中:

【,钨丝两端的电压,』。

=J。

×s

图1.4x射线管供电示意图

综合以上各式可以求出电子流与阴极高压及灯丝电压的关系式。

然而,实际上我们无法确切知道x光管的某些参数,还有存在其它的物理变化,因此,很难在定量上确定它们之间的关系式。

从定性上分析它们之间近似为指数关系。

由于x射线管的特性,要求高压电源的输出稳定性好,大范围连续可调,转换效率高。

1.5论文的主要工作

本论文研究工作主要是结合与地方企业合作的科研项目《高压直流电源》进行的。

主要内容是研制用于x射线发生的高压开关电源,电源性能指标如下:

（1输入Ac220V,输出:

高压回路DC5~30KV,3~30mA,

灯丝回路:

AClOV,O~4A;

（2室温环境下能够24小时连续工作;

（3具有输出过压、过流保护;

（4在输入电压波动±10%的情况下,输出电压稳定度不劣于0.1%;

（5输出电压纹波不大于O.1%。

针对技术指标要求,论文将主要针对以下几个方面的工作进行深入研究5

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和设计:

（1选择并设计系统主电路:

设计主电路的结构形式,并对主要参数进行计算;

（2设计高压变压器;

（3设计控制电路:

（4系统调试。

论文的结构如下:

第一章为综述,简单说明高压直流电源基本情况,介绍国内外研究现状,阐述本论文工作的重点:

第二章主要将介绍系统主电路的设计;第三章介绍高压变压器的设计;第四章介绍系统控制电路的设计;第五章为系统调试。

最后,论文进行总结,并对将来的研究工作进行展望。

堕堡堡三堡奎兰堡主堂篁丝壅

第2章主电路结构设计

本章的主要目的是研究常用开关电源主回路结构,提出自己的结构形式,并对其中关键参数进行计算。

2.1主电路结构介绍

由于主电路形式直接关系到电源的重要性能指标,论文设计要求的性能指标又较高,因此,要对各种结构加以比较分析。

2.1.1正激电路‘31

图2.1正激电路的原理图

正激电路原理圈如图2.1所示。

电路的工作过程:

开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。

因此VDl处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长;S关断后,电感L通过vD2续流,VDl关断。

S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以s关断后承受的电压为:

%=（1+导u,（2—1

』V

变压器的磁心复位:

开关s开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断。

为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位。

变压器的磁心复位时间为:

哈尔滨工程大学硕士学位论文,一Ⅳ3,

‘一一百‘m输出电压在电感电流连续的情况下:

吣等u（2—2（2—3

输出电感电流不连续时,输出电压‰将高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压为:

吣铷（2-4三口口叫图2.2正激电路的理想化波形

J.o.一0.1.

—f杉黝1.

"蕊汰沁ff/\/占&

BRD

foflf2

图2.3磁心复位过程原理图2.1.2反激电路嘲

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反激电路如图2.4所示。

反激电路中的变压器起着储能组件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感。

电路的工作过程:

S开通后,VD处于断态,Nl绕组的电流线性增长,电感储能增加;S关断后,Nl绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放。

S关断后的电压为:

%=u+导‰（2—5

图2.4反激电路原理图

反激电路的工作模式:

电流连续模式:

当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零。

输出屯压关系:

丝:

丝立

UjN。

（2—6

图2.5反激电路的理想化波形

电流断续模式:

s开通前,N2绕组中的电流已经下降到零。

输出电压高9

窿

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于式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,砜呻。

。

因此,反激电路不应工作于负载开路状态。

2.1.3半桥电路‘羽

半桥变换器电路如图2.6所示

SlS2

图2.6半桥电路原理图

l—o—I

’Ill

¨个

图2.7半桥电路的理想化波形ffUrU,ffrf

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电路的工作过程:

S1与s2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为u,/2

的交流电压。

改变开关的占空比,就可咀改变二次侧整流电压%的平均值,

也就改变了输出电压玑。

Sl导通时,二极管VDl处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态,当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VDl和VD2都处于通态,各分担一半的电流。

Sl或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降。

S1和S2断态时承受的最高电压为U.。

由于电容的隔离作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。

当滤波电感L的电流连续时输出电压的计算:

堡:

丝垒

（2—7

U。

Ⅳl丁

如果输出电感电流不连续,输出电压砜将高于上式的计算值,并随负载

减小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压为:

u.:

丝丝

（2—8

2.1.4全桥电路

全桥电路如图2.8所示。

s3\

VDl_

_-——

二:

㈨

sⅧ3￡

一

受_——

_—

蜥

——

∑Z

、VD4

s4\

场

图2.8全桥电路原理图

电路的工作过程:

全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同

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一侧半桥上下两开关交替导通,使变压器一次侧形成幅值为u。

的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。

当S1与S4开通后,二极管VDl和VD4处于通态,电感L的电流逐渐上升;s2与s3开通后,二极管VD2和VD3处于通态,电感L的电流也上升。

当4个开关都关断时,4个二极管都处于通态,各分担一半的电感电流,电感L的电流逐渐下降。

S1和S2断态时承受的最高电压为U.。

如果s1、s4与S2、s3的导通时间不对称,则交流电压巩中将含有赢流分量,会在变压器一次侧产生很大的直流电流,造成磁路饱和,因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生,也可以在一次侧回路串联一个电容,以阻断直流电流。

一fon~lI一丁一

二一毛^毛归.臼.毛』弋土—[L七文‰’匕3乏笠.oI

’b2“33’[泣二!

竖Ll一1l,

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坠:

丝堡（2—9u,Ⅳ12’

输出电感电流断续时,输出电压“将高于上式计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下,输出电压:

Uo=等u（2-10

2.1.5推挽电路

推挽电路如图2.10所示。

图2.10推挽电路原理图

电路的工作过程:

推挽电路中两个开关s1和s2交替导通,在绕组N1和N1两端分别形成相位相反的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。

s1导通时,二极管VDl处于通态,电感L的电流逐渐上升。

s2导通时,二极管vD2处于通态,电感L的电流也逐渐上升。

当两个开关都关断时,VDl和vD2都处于通态,各分担一半的电流。

S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍U。

。

s1和S2同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通。

当滤波电感L电流连续时,输出电压:

堡:

堕坠（2—11u.Ⅳ1丁

当输出电感电流不连续时,输出电压U0将高于上式的计算值,并随负载减

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