一款小型化高壓小功率電源的設計

來源：互聯網  作者：秩名2013年09月22日 13:14

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[導讀] 高壓電源已經被廣泛地應用。傳統的高壓電源體積大且笨重，嚴重影響了所配套設備的發展。目前的高壓電源多采用開關電源形式，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關電源，幾乎都是開關電源結構。本文所討論的高壓小功率開關電源，是為X射線電視透視系統配套設計的。

關鍵詞：圖像增強器高壓電源開關電源變壓器

　　引言

　　高壓電源已經被廣泛地應用，醫學、工業無損探傷、車站、海關檢驗等檢測設備中，也廣泛應用于諸如雷達發射機、電子航空圖顯示器等軍事領域。傳統的高壓電源體積大、笨重，嚴重影響了所配套設備的發展。目前的高壓電源多采用開關電源形式，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關電源，幾乎都是開關電源結構。本文所討論的高壓小功率開關電源，是為X射線電視透視系統配套設計的。這種系統是對原始X射線設備的改進，它增加一個叫做圖像增強器的設備。這種設備采用電極對電子進行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

　　方案選擇

　　小功率高壓電源最常用的例子是電視機的陽極高壓發生器，它將幾十伏的直流電源，通過功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變為高壓輸出；另一個應用實例是負離子發生器，常采用晶閘管調壓方式。以上兩種調壓方式都需要一臺單獨可調的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復雜程度。加之，由于電路結構形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調節很有限，需要大范圍調節時，只能通過改變供電電壓來實現。而X射線增強器的主路電壓調節范圍近 10kV，上述電路形式很難滿足要求。本文采用的半橋諧振式開關電源，成功地解決了以上問題。

　　技術指標

　　輸入電壓220（1±10%）V，（50±0.5）Hz；或寬范圍輸入電壓180～250V.

　　輸出電壓/電流

　　陽極（正）電壓/電流

　　標稱值+25kV/1mA，

　　電壓范圍+23kV～+32kV；

　　標稱值+7.35kV/200μA，

　　電壓范圍+6.0kV～+7.8kV；

　　標稱值+0.985kV/200μA；

　　電壓范圍+0.8kV～+1.1kV；

　　陰極（負）電壓/電流

　　標稱值-0.75kV/500μA；

　　電壓范圍-0.5kV～-1kV.

　　以上4路電壓連動輸出。

　　穩定度1%.

　　工作溫度范圍0℃～+40℃。

　　存貯溫度范圍-40℃～+55℃。

　　外形尺寸160mm×135mm×43mm.

　　圖像增強器的電極在加工時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計得更要大些，另一方面應有完善的保護措施。

　　系統框圖及工作原理

　　25kV小型化高壓電源的系統框圖如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　輸入的市電經凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上。控制電路由最常用SG3525芯片組成。控制電路通過高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產生激勵脈沖去驅動功率MOS場效應管，實現穩壓輸出。技術難點及解決辦法

　　1、體積與絕緣

　　這種電源是專為X射線增強器配套的，它被安裝在X射線增強器底座下一個狹小的空間，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，散熱等問題有直接關系。本電路將功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置，并選擇高強度的絕緣介質填充高壓部分，很好地解決了這個問題。

　　2、高頻高壓變壓器

　　圖2 考慮分布電容的變壓器模型

　　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，由于匝數增多，特別是次級匝數增多，當變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時，必須考慮分布電容和漏感問題。這時，變壓器模型如圖2所示。L1為漏感，Cp和Cs分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L1和次級分布電容構成了串聯諧振電路。當變壓器次級開路或負載較輕時變壓器可看成電感，因而與次級分布電容Cs構成并聯諧振電路，其等效電路如圖3所示。發生諧振時，電容兩端的電壓會高出工作電壓，也就是說變壓器內部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器的耐壓要求。因而在變壓器的繞制過程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設各層電容相等，繞組共有m層，則分布電容Cs=C（C為次級繞組固有電容，N2為次級繞組匝數）。當次級匝數一定時，次級等效到初級的分布電容與次級的層數有關，層數越多分布電容越小。每一層上的匝數越少，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，減小每層匝數。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制示意如圖4所示。

　　圖3 分布電容折合到初級的等效電路

　　圖4 高壓變壓器繞制示意圖

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本文導航

• 第 1 頁：一款小型化高壓小功率電源的設計

• 第 2 頁：3、輸入電壓范圍的調制

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