直流高壓電源作為供電電源和試驗(yàn)電源在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，如電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、直流高壓試驗(yàn)系統(tǒng)、靜電除塵電源等［1，2］． 傳統(tǒng)的直流高壓電源由升壓變壓器、充電電阻、硅堆、濾波電容和負(fù)載組成，其工作過程是: 首先利用高壓變壓器將工頻電壓升高，然后利用硅堆將交流電壓整流成直流電壓，并利用濾波電容降低系統(tǒng)的紋波系數(shù)．整個(gè)系統(tǒng)具有紋波系數(shù)大，體積大，質(zhì)量重等缺點(diǎn)． 目前，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，該電源正在向著小型化、高 可 靠 性 方 向發(fā)展［3，4］．
針對(duì)上述情況，為了滿足設(shè)計(jì)的要求，本文采用交流-直流-交流-直流的方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)輸出電壓為 20 kV，輸出電流為 0． 1 A，紋波系數(shù)控制在0． 1% 的恒流恒壓直流高壓電源，采用 Pspice 軟件對(duì)主電路參數(shù)進(jìn)行了仿真分析［5］，并完成了對(duì)整個(gè)電源的制作和測(cè)試．
1 主電路設(shè)計(jì)
由直流高壓發(fā)生器的電路可知，系統(tǒng)的紋波系數(shù)與交流電壓的頻率成反比，即頻率越高，紋波系數(shù)越?。?此外，對(duì)于升壓變壓器來說，通過提高交流電壓的頻率，在相同輸入、輸出電壓的條件下所需線圈匝數(shù)就越少，這大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和體積． 由此可見，通過提高系統(tǒng)交流電壓的頻率，在相同條件下不僅可以降低系統(tǒng)輸出電壓的紋波系數(shù)，而且還可以使系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大降低． 因此，本文設(shè)計(jì)的直流高壓發(fā)生器也采用該方法，即首先將工頻交流電壓調(diào)制成高頻交流電壓，然后整流成直流電壓，整個(gè)電路如圖 1 所示．
由圖 1 可知，整個(gè)直流高壓發(fā)生器由整流電路、逆變電路、升壓變壓器和倍壓整流電路 4 部分組成． 整個(gè)電路的工作過程如下: 首先利用全橋整流電路將 50 Hz 的交流電壓整流成直流電壓，再利用由 IGBT 組成的全橋逆變電路將直流電壓逆變成 20 kHz 的交流方波電壓，然后進(jìn)入升壓變壓器，將低壓的交流電壓變?yōu)楦邏航涣麟妷海?后通過倍壓電路將交流電壓整流成直流電壓輸出．采用 Pspice 軟件對(duì)上述電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖 2 所示．
從圖 2 可以看出，本文所設(shè)計(jì)的直流高壓發(fā)生器的電路是可行的．
2 倍壓電路
根據(jù)倍壓電路結(jié)構(gòu)的不同，可分為半波倍壓電路、全波倍壓電路和三倍壓電路． 本文采用半波倍壓電路來實(shí)現(xiàn)直流高壓的輸出． 由于本文所設(shè)計(jì)的直流高壓電源為高穩(wěn)定、低紋波系數(shù)，這需要對(duì)倍壓電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)． 半波倍壓電路的紋波系數(shù)計(jì)算公式為:
S = δUUd= n( n + 1) Id4 fCUd= n( n + 1)4 fCＲx( 1)
從式( 1) 可以看出，紋波系數(shù)的大小與電源頻率、倍壓的級(jí)數(shù)、電容的容量和負(fù)載的大小有關(guān)． 因此，本文設(shè)計(jì)的直流高壓電源倍壓電路如圖3 所示．
由圖 3 可以看出，整個(gè)電路采用的是兩級(jí)倍壓．
采用 Pspice 軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真． 其參數(shù)如下: 電源電壓 U = 5 kV，f = 20 kHz，C = 0． 2 μF，
仿真結(jié)果如圖 4 所示．
由圖4 可以看出，電源的輸出電壓為 20 kV，電流為0． 1 A，紋波電壓約為1 V，可以滿足設(shè)計(jì)要求．
管腳輸出的 PWM 波的頻率變大; 當(dāng) FANKUI2 信號(hào)變小，流入芯片的電流變小，電容 C13的放電速度變 慢，此 時(shí) 振 蕩 周 期 tdchg 變 長，從 OUT1 和
OUT2 管腳輸出的 PWM 的頻率變?。?從 OUT1 和OUT2 管腳輸出的控制信號(hào)之間的死區(qū)時(shí)間由電阻 Ｒ22控制，隨著電阻 Ｒ22的增加，死區(qū)時(shí)間增加．
由 C15控制輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的軟啟動(dòng)． 由 Ｒ23，Ｒ24，C14構(gòu)成輸出 PWM 的脈寬控制電路，脈寬反饋控制信號(hào) FANKUI1 經(jīng)放大器與 Ｒ23和 Ｒ24相連．
該電路的脈寬調(diào)制過程受控于 FANKUI1 信號(hào)的
3 調(diào)頻調(diào)脈寬的電路設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法采用自耦調(diào)壓器和可控硅方式，但前者存在質(zhì)量重、調(diào)節(jié)精度低的缺點(diǎn)． 后者雖是通過控制導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，但該方法在實(shí)施的過程中會(huì)給系統(tǒng)引入很大的諧波． 本文所設(shè)計(jì)的直流高壓電源采用調(diào)頻調(diào)脈寬的方式來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，克服了調(diào)頻的調(diào)節(jié)速度慢及調(diào)脈寬的調(diào)節(jié)范圍小的缺點(diǎn)，使輸出電壓得到快速穩(wěn)定． 本調(diào)頻調(diào)脈寬的控制電路如圖 5 所示．
該電路的工作過程為: 首先利用供電電源對(duì)MC33066 芯片進(jìn)行供電，使控制芯片開始工作;電阻 Ｒ22和電容 C13構(gòu)成系統(tǒng)的振蕩，以及由死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的電路，該電路上的電容 C13的放電速度受控于頻率反饋信號(hào) FANKUI2 的大?。?當(dāng)反饋信號(hào)變大，流過 C13的電流變大，電容的放電速度變快，此時(shí)振 蕩 周 期tdchg 變 短，故 從OUT1 和OUT2大?。?當(dāng)反饋信號(hào) FANKUI1 變大，其通過 Ｒ15 和Ｒ16分壓后進(jìn)入放大器的 12 腳信號(hào)也變大，流過Ｒ19的電流變小，此時(shí)放大器的輸出管腳 14 電平升高，電容 C14的放電速度變小，導(dǎo)致 PWM 波的脈寬 tos增加; 反之，當(dāng)反饋信號(hào) FANKUI1 變小，其通過 Ｒ15和 Ｒ16分壓后進(jìn)入放大器的 12 腳信號(hào)變小，流過 Ｒ19的電流變大，導(dǎo)致放大器的輸出管腳 14 電平降低，電容 C14 的放電速度變大，導(dǎo)致PWM 波的脈寬減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) PWM 波輸出管腳 OUT1 和 OUT2 的信號(hào)的脈寬調(diào)節(jié)． 由此可見，本電路通過調(diào)頻調(diào)脈寬的方式能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)．
4 電源系統(tǒng)的試驗(yàn)及其結(jié)果分析
根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)電源系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表 1．
由表 1 可知，本文所設(shè)計(jì)的直流高壓電源在輸出電壓為 20 kV 時(shí)，其紋波系數(shù)為 0． 05% ，小于 0． 1% ，可以滿足設(shè)計(jì)要求． 為了證實(shí)本試驗(yàn)系統(tǒng)是否能夠形成恒流，利用大電容對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)． 試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在開始狀態(tài)，未達(dá)到恒壓狀態(tài)時(shí)，處于恒流狀態(tài)，以設(shè)定的電流對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)充到電壓的設(shè)定值時(shí)，則進(jìn)入了恒壓狀態(tài)，電流變小，維持電壓不變． 因此，本文所開發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)能夠形成恒流，并實(shí)現(xiàn)恒流狀態(tài)和恒壓狀態(tài)的相互切換．
5 結(jié) 論
( 1) 采用調(diào)頻調(diào)脈寬的聯(lián)合調(diào)壓方式，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，并克服了調(diào)頻的調(diào)節(jié)速度慢和調(diào)脈寬的調(diào)節(jié)范圍小的缺點(diǎn);
( 2) 通過逆變技術(shù)，將工頻交流變成高頻交流，可使電源的紋波電壓大大降低，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定;
( 3) 所采用的應(yīng)用交流-直流-交流-直流的方案是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定度、低紋波系數(shù)的直流高壓電源的研制．
