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常用直流高压电源的实现方法

随着科技的进步,高压电源在越来越多的领域得到应用。“高压电源”这个名词是依据其输出电压来定义的。具体到多高的电压才叫高压电源,我也不清楚。个人以为输出电压在1000V以上的,可以认为属于高压电源了。直流高压电源所涉及的领域其实非常宽广,大到电力系统的直流高压输变电系统,小到家用的电蚊拍,都可以算是这个领域里的东西。在这里我主要想说说的是属于电子电源领域的高压电源。这个领域的高压电源,主要的应用有:医疗安检无损检测领域应用的X光系统、一些粒子加速器系统、工业烟气除尘、耐压测试仪表、静电装置、气体激光器等。
 
高压电源最主要的技术特点,就是在于输出电压很高。高的输出电压对很多方面提出了特别的要求——元器件耐压的要求、结构设计的要求、绝缘材料的要求等。与此同时,电路结构上也有异于通常的结构。通常对于输出10KV以下的电源,可以直接采用传统的各种拓扑结构。但是对于电压更高的电源,就要对电路结构作一些修改,以满足更高电压的输出。由于变压器初级部分的功率器件的耐压限制,一般驱动部分依然是传统的开关电源拓扑,对电路结构的修改,主要是集中在变压器以及后面的整流电路上。下面主要对这两部分进行讨论。
一、变压器部分
1,多个变压器串联方式
 多个变压器串联方式直流高压电源
多个变压器串联方式直流高压电源
 
这种方式的电路示意图如图1所示。特点是,每个变压器的升压比不是很高,磁芯与次级绕组间的压差不大。这种方法的优点是:适合大功率输出。变压器绕组对磁芯的绝缘容易处理。缺点是:每个变压器要传递的功率不一样,最低压端的变压器传递功率最大,最高压端的变压器传递功率最小。每个变压器对地绝缘要求不同。最高压端的变压器对地绝缘要求最高。由于变压器存在漏感,所以越是远离驱动输入的变压器,其回路中等效的漏感就越大。那么变压器实际输出的电压是有差异的,即便匝比都是一致的。
2,单变压器,多组次级级联方式
 
 多组次级级联方式直流高压电源
多组次级级联方式直流高压电源
这种方式的电路示意图如图2所示。特点是,次级的每个绕组对初级的升压比不是很高。优点是:适合较大功率输出。变压器数量少,只需要一副磁芯。缺点是:高压端的绕组对磁芯的电压差很大,绝缘不容易处理。次级绕组如果对磁芯或初级结构不一致,那么漏感会不一致,导致绕组间存在差异。如果保持结构一致,则全部次级都必须按照最高绝缘要求来设计,那么变压器的窗口利用率会大大下降。
3,单变压器,绝缘磁芯多组次级级联方式
 绝缘磁芯多组次级级联方式直流高压电源
绝缘磁芯多组次级级联方式直流高压电源
 
这种方式的电路示意图如图3所示。特点是,磁芯是由多段组合而成,每段磁芯之间都用绝缘性能很好的薄膜进行绝缘。每段磁芯都有一个次级绕组。优点是:适合较大功率的输出。变压器数量少,只需要一副磁芯。每段次级绕组与磁芯的电压差小,次级绕组对磁芯的绝缘容易处理。缺点是:磁芯是分段的,结构复杂。磁芯有气隙,分段越多,等效气隙越大,磁芯固定困难。
4,多变压器,共初级,次级级联方式
 
 次级级联方式直流高压电源
次级级联方式直流高压电源
这种方式的电路示意图如图4所示。为了能看的直观一些,这里画了一张3D的图纸,为了画出这个示意图,画了好长时间,特别是初级的那个线圈,看上去简单,很费了一番力气!这种结构的特点是多个变压器组合,初级为串联结构,次级独立整流以后再串联。优点是:适合大功率的输出,变压器的升压比不大。缺点是:初、次级对磁芯之间总有一个绝缘要求高,需要多个变压器。
 
二、整流电路
1,半波多倍压电路
 半波多倍压电路直流高压电源l
半波多倍压电路直流高压电源l
 
半波多倍压电路有两种结构,一种是图5A的结构,这是基本的也是最常见的倍压整流电路了。这种电路的优点是:结构简单,二极管和电容的电压应力都不高,变压器的输出电压也不算高。缺点是:带负载能力较差,倍压阶数越高则电压跌落越多,最终存在一个极限倍压阶数。超过这个阶数,电压不再升高,反而会下降。另一种是图5B的结构,这种电路的带载能力强一些,但是电容的电压应力很高。
2,全波多倍压电路
 全波多倍压电路直流高压电源
全波多倍压电路直流高压电源
 
电路结构见图6,这其实是半波多倍压电路的拓展结构。可以同时的到正负高压。当然,如果把其中端高压接地,把变压器次级悬浮,也是可以的。这样做的好处是,得到同样的高压,只需要有半波多倍压一半的阶数就可以得到了。那么电压跌落和纹波都小很多。缺点是:假如采用某端高压接地,高压变压器次级悬浮的方式,对高压变压器的绝缘要求很高。假如高压变压器次级接地的话,那么得到的是正负高压,使用上不是很方便。
3,抽头式双半波多倍压电路
 抽头式双半波多倍压电路直流高压电源
抽头式双半波多倍压电路直流高压电源
 
电路结构见图7,这种结构的特点是高压变压器的次级带中间抽头。这种结构的优点是:倍压的电压跌落比半波多倍压方式小很多。纹波也小很多。缺点是:变压器的次级需要抽头,输出同样的高压,变压器的次级匝数增加了一倍。元件多,成本高。
4,还有其他拓展或混合式用法
例如抽头式双半波可以拓展为抽头式全波正负多倍压电路,用以得到正负高压。也可以把图5B的结构和图5A的结构混合起来使用。也可以把常规整流方式与倍压整流方式混合使用。正负倍压方式中,也可以正、负阶数不一致。很多场合,我们把变压器和整流电路两种解决手段同时组合使用,例如变压器次级分段,每段分别全波倍压后串联输出等等。
通过二极管和电容组合成电荷泵方式的倍压电路,总的来说不能承受大的输出功率,而且输出电压的上升速率也相对较慢。因为这是一种电荷泵,用牺牲功率的办法来得到高的电压,泵的能力的局限性比较大。
总之,掌握了基本原理,具体到工程案例中,就可以根据实际情况来选择变压器与整流电路的组合方式了。
 
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