新型低紋波高壓直流電源的設(shè)計方案

1、0引言高壓直流電源已越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核物理、檢測等領(lǐng)域。對于X光機，粒子加速器， 電子束焊機，電子束曝光機等一些應(yīng)用場合，對電壓的水平要求比較高，它們均要求低紋波電壓。文章5 對幾種用于高壓直流電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別進行了介紹，并對它們進行了比較，指出了各自的優(yōu)缺點。近年來，隨著新的電力電子器件的應(yīng)用使得高壓直流電源出現(xiàn)了頻率高，效率高，功率密度高，可靠 性高等新特性。高頻化可以提高電源性能，減少變壓器的體積和紋波系數(shù)，但也帶來了新的技術(shù)問題。過 高的頻率會導(dǎo)致開關(guān)管開斷頻繁，開關(guān)損耗增大，影響開關(guān)管壽命并使整機效率下降。鑒于以上問題，本文采用雙路電源并聯(lián)輸出的方法得到低紋波直流

2、。在開關(guān)管頻率受限的今天，本方 法可以在頻率較低的情況下得到低紋波直流。1主回路工作原理電源的系統(tǒng)框圖及主回路原理圖別如圖1和圖2所示。三相交流電詼聯(lián)波出 整井逾輸圖1系統(tǒng)框圖I mil Ji li圖2電源主回路原理圖主電路含有兩套完全相同的半橋逆變電路，逆變開關(guān)元件選用IGBT.每一路均采用獨立的三相全控整 流橋供電，逆變電路采用PWM方式，工作頻率遠(yuǎn)高于諧振頻率，逆變后的電壓波形為方波。電路的功率 調(diào)節(jié)通過控制全控整流橋的移相角來實現(xiàn)。IGBT的觸發(fā)脈沖參數(shù)：0kHz20kHz、占空比45%,-5 V+15 V, 上下橋臂脈沖相差半個周期如圖3所示，兩路半橋逆變電路的輸出波形如圖4所示。將

3、兩路電壓并聯(lián)，即 可得平直電壓。圖3 IGBT觸發(fā)脈沖波形圖4輸出電壓波形示意圖輸出紋波和輸出電容的關(guān)系為:Vlipj船二+ * R FSR可見，加大輸出電容值也可以減少紋波，或者采用多個電容并聯(lián)的方式減少ESR值。2電壓跟蹤電路由于采用兩路輸出并聯(lián)來獲得平直的直流電壓，設(shè)備正常工作的關(guān)鍵問題是兩路并聯(lián)電源的電壓平衡 問題，即要求兩路輸出的電壓幅值時刻保持相同。為使兩路輸出保持一致，元器件參數(shù)應(yīng)選取一致，還需 要一套輸出電壓檢測、比較及自動調(diào)節(jié)電路，實際設(shè)計的電路工作過程如圖5所示。圖5電壓跟蹤電路結(jié)構(gòu)框圖在檢測電路中主要包含隔離和離散化兩部分電路，隔離電路可以有效地 抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回

4、路的干擾。把檢測到的輸出電壓離散化是為了解決當(dāng)相近的模擬量直接比較時 運放輸出抖動的問題，同時可以使后面的比較電路的反應(yīng)速度調(diào)節(jié)方便。在離散化電路中具體由鋸齒波來 調(diào)制經(jīng)過隔離的輸出電壓來實現(xiàn)。它將檢測到的電壓信號，轉(zhuǎn)化為脈寬與其電壓成正比的方波信號。在具體應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)頻率范圍來設(shè)計合理的RC濾波電路。濾波器的輸出與其輸入之比。為：任二徐二lvt積？y當(dāng)p R1時：16二 10、X。二 1 二 1D Ui R+Xc 1+cCA l+2ir/C/?即：（二 1書-&時3實驗結(jié)果應(yīng)用本方案試制了一套小功率系統(tǒng)，以此來驗證電路的可行性。為了方便調(diào)試，樣機采用晶閘管整流，本樣機選用西安電力電子技術(shù)研

5、究所生產(chǎn)的KK200整流晶閘管。 三相電經(jīng)過一個降壓變壓器（變比10：1）接到2個整流橋。三相全控整流橋輸出直流平均電壓為：Ud=1.35U1cosa式中，U1-輸入三相線電壓有效值;a -三相橋 式全控整流控制角。本樣機整流橋進線線電壓有效值為380 V,采用三相橋式全控整流，所以整流橋輸出最大直流平均電壓 為 380*1.35 / 10=51.3 V 左右。T1、T2變壓器變比1:40,負(fù)載阻抗100 kQ。下面給出了各路逆變頻率為13 kHz時的相關(guān)波形圖：麟軸剃山I晦楠出圖6實驗波形圖6中所標(biāo)的電壓值為乘以分壓器變比以后的值。圖6(a)為沒有經(jīng)過并聯(lián)的兩路分別輸出時的電壓 波形，可以看到，單路電壓輸出存在缺口，而且缺口處脈動較大，并有一定的毛刺。圖中6(b)為兩路并聯(lián) 后輸出的電壓波形(未經(jīng)電容濾波)，與圖6(a)相比較，可以清楚地看到兩路并聯(lián)后，大的缺口在輸出波形 中消失，輸出電壓脈動明顯減小，紋波變低，達(dá)到了實驗?zāi)康?，驗證了設(shè)計思想的正確性。4結(jié)論通過小功率試驗的驗證，證明了該方案的可行性，采用本方案可以在較低的工作頻率下達(dá)到輸出低紋 波直流電壓的目的，可以減小半導(dǎo)體開關(guān)元件的損耗，提高元器件使用壽命和設(shè)備的