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常用直流高壓電源的實現方法

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年06月16日  

隨著科技的進步,高壓電源在越來越多的領域得到應用。高壓電源這個名詞是依據其輸出電壓來含義的。具體到多高的電壓才叫高壓電源,我也不清楚。個人以為輸出電壓在1000V以上的,可以認為屬于高壓電源了。直流高壓電源所涉及的領域其實非常寬廣,大到電力系統的直流高壓輸變電系統,小到家用的電蚊拍,都可以算是這個領域里的東西。在這里我重要想說說的是屬于電子電源領域的高壓電源。這個領域的高壓電源,重要的應用有:醫療安檢無損檢測領域應用的X光系統、一些粒子加速器系統、工業煙氣除塵、耐壓測試儀表、靜電裝置、氣體激光器等。


高壓電源最重要的技術特點,就是在于輸出電壓很高。高的輸出電壓對很多方面提出了特別的要求——元器件耐壓的要求、結構設計的要求、絕緣材料的要求等。與此同時,電路結構上也有異于通常的結構。通常關于輸出10KV以下的電源,可以直接采用傳統的各種拓撲結構。但是關于電壓更高的電源,就要對電路結構作一些修改,以滿足更高電壓的輸出。由于變壓器初級部分的功率器件的耐壓限制,一般驅動部分依然是傳統的開關電源拓撲,對電路結構的修改,重要是集中在變壓器以及后面的整流電路上。下面重要對這兩部分進行討論。


一、變壓器部分


1,多個變壓器串聯方式


這種方式的電路示意圖如圖1所示。特點是,每個變壓器的升壓比不是很高,磁芯與次級繞組間的壓差不大。這種方法的優點是:適合大功率輸出。變壓器繞組對磁芯的絕緣容易處理。缺點是:每個變壓器要傳遞的功率不相同,最低壓端的變壓器傳遞功率最大,最高壓端的變壓器傳遞功率最高。每個變壓器對地絕緣要求不同。最高壓端的變壓器對地絕緣要求最高。由于變壓器存在漏感,所以越是遠離驅動輸入的變壓器,其回路中等效的漏感就越大。那么變壓器實際輸出的電壓是有差異的,即便匝比都是一致的。


2,單變壓器,多組次級級聯方式


這種方式的電路示意圖如圖2所示。特點是,次級的每個繞組對初級的升壓比不是很高。優點是:適合較大功率輸出。變壓器數量少,只要一副磁芯。缺點是:高壓端的繞組對磁芯的電壓差很大,絕緣不容易處理。次級繞組假如對磁芯或初級結構不一致,那么漏感會不一致,導致繞組間存在差異。假如保持結構一致,則全部次級都必須按照最高絕緣要求來設計,那么變壓器的窗口利用率會大大下降。


3,單變壓器,絕緣磁芯多組次級級聯方式


這種方式的電路示意圖如圖3所示。特點是,磁芯是由多段組合而成,每段磁芯之間都用絕緣性能很好的薄膜進行絕緣。每段磁芯都有一個次級繞組。優點是:適合較大功率的輸出。變壓器數量少,只要一副磁芯。每段次級繞組與磁芯的電壓差小,次級繞組對磁芯的絕緣容易處理。缺點是:磁芯是分段的,結構復雜。磁芯有氣隙,分段越多,等效氣隙越大,磁芯固定困難。


4,多變壓器,共初級,次級級聯方式


這種方式的電路示意圖如圖4所示。為了能看的直觀一些,這里畫了一張3D的圖紙,為了畫出這個示意圖,畫了好長時間,特別是初級的那個線圈,看上去簡單,很費了一番力氣!這種結構的特點是多個變壓器組合,初級為串聯結構,次級獨立整流以后再串聯。優點是:適合大功率的輸出,變壓器的升壓比不大。缺點是:初、次級對磁芯之間總有一個絕緣要求高,要多個變壓器。


二、整流電路


1,半波多倍壓電路


半波多倍壓電路有兩種結構,一種是圖5A的結構,這是基本的也是最常見的倍壓整流電路了。這種電路的優點是:結構簡單,二極管和電容的電壓應力都不高,變壓器的輸出電壓也不算高。缺點是:帶負載能力較差,倍壓階數越高則電壓跌落越多,最終存在一個極限倍壓階數。超過這個階數,電壓不再升高,反而會下降。另一種是圖5B的結構,這種電路的帶載能力強一些,但是電容的電壓應力很高。


2,全波多倍壓電路


電路結構見圖6,這其實是半波多倍壓電路的拓展結構。可以同時的到正負高壓。當然,假如把其中端高壓接地,把變壓器次級懸浮,也是可以的。這樣做的好處是,得到同樣的高壓,只要有半波多倍壓一半的階數就可以得到了。那么電壓跌落和紋波都小很多。缺點是:假如采用某端高壓接地,高壓變壓器次級懸浮的方式,對高壓變壓器的絕緣要求很高。假如高壓變壓器次級接地的話,那么得到的是正負高壓,使用上不是很方便。


3,抽頭式雙半波多倍壓電路


電路結構見圖7,這種結構的特點是高壓變壓器的次級帶中間抽頭。這種結構的優點是:倍壓的電壓跌落比半波多倍壓方式小很多。紋波也小很多。缺點是:變壓器的次級要抽頭,輸出同樣的高壓,變壓器的次級匝數新增了一倍。元件多,成本高。


4,還有其他拓展或混合式用法


例如抽頭式雙半波可以拓展為抽頭式全波正負多倍壓電路,用以得到正負高壓。也可以把圖5B的結構和圖5A的結構混合起來使用。也可以把常規整流方式與倍壓整流方式混合使用。正負倍壓方式中,也可以正、負階數不一致。很多場合,我們把變壓器和整流電路兩種解決手段同時組合使用,例如變壓器次級分段,每段分別全波倍壓后串聯輸出等等。


通過二極管和電容組合成電荷泵方式的倍壓電路,總的來說不能承受大的輸出功率,而且輸出電壓的上升速率也相對較慢。因為這是一種電荷泵,用犧牲功率的辦法來得到高的電壓,泵的能力的局限性比較大。


總之,掌握了基本原理,具體到工程案例中,就可以根據實際情況來選擇變壓器與整流電路的組合方式了。


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