特种高压输出开关电源的设计思路与特点

概述

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

高压静电场类

电子与离子加速器类

高压电源电路结构

高压变压器的设计特点

高压变压器等效模型

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房式绕组，结构很复杂，需要用专用的绕线机才能够完成。

高压变压器绕组实例

因为蜂窝式绕组结构复杂，工艺难度很大，所以高压绕组常会采用多槽骨架的绕组结构。可有效降低分布电容，并保证绕组绝缘。

直流高压电源整流滤波电路设计特点

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。通常采用电容滤 波 ， 极 少 采 用 LC 滤 波 。

半波偶数倍压整流电路

半波奇数倍压整流电路

全波偶数倍压整流电路

全波奇数倍压整流电路

倍压整流电路的优缺点

优点：

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。

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；

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

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50~80KW的瞬间功率，最高电压约150KV，要求KV与mA上升时间在几个毫秒内，越快越好。多会采用这种结构的电路。

高压电源采样电路的设计特点

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联的C1、C2、C3等电容容量比上面公式中的数值略大。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。

高压电源功率变换电路的设计特点

比如：

48V/10A，600W通讯电源可选功率变换拓扑方案：

1，双管正激

2，PWM半桥

3 LLC半桥/全桥

4，移相全桥

30KV/20mA，600W高压电源可选功率变换拓扑方案：

1，电压型BUCK+不可控逆变电路

2，电流型BUCK+不可控逆变电路

3 带辅助谐振网络的移相全桥

4，LC/LCC/LLCC谐振变换器

LC/LCC/LLCC谐振变换器

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。

假设输出的高频纹波为1%，那么按照3阶半波6倍压的纹波计算公式有：

选择合适的变压器变比n，使电压增益KDC数值在1~2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2~10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。把上述参数带入前面的公式计算，可以得到：

二极管导通角 α=1.83rad=104.76°

RC网络电压电流相位差θ=0.43rad=24.50°

RC网络模型中的Cp电压到Vo的增益系数λ1=1.21188

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

串联电容C1的峰值电压VC1pk=398.88V

总 结

简单介绍了高压电源的应用与各部分电路的特点。

介绍了适用于高压电源的LC/LCC/LLCC模型的建立与计算。

通过一个30KV/20mA高压电源的仿真结果验证了LLCC模型的正确性。