提出一種新型的低紋波高壓直流電源電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 - 全文

摘要：研究提出了一種新型的低紋波高壓直流電源電路結(jié)構(gòu)，該電源采用電壓互補(bǔ)的工作原理，將兩路獨(dú)立輸出電壓相同、相位相差90°的半橋逆變電路并聯(lián)后輸出，使其輸出電壓并聯(lián)互補(bǔ)，以達(dá)到減小直流輸出電壓脈動(dòng)的目的。在介紹該電源工作原理和控制方式基礎(chǔ)上，并依據(jù)該方案研制了一臺(tái)小功率樣機(jī)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)波形，證實(shí)了該方案的可行性。

0 引言

高壓直流電源已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、核物理、檢測(cè)等領(lǐng)域。對(duì)于X 光機(jī)，粒子加速器，電子束焊機(jī)，電子束曝光機(jī)等一些應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)電壓的水平要求比較高，它們均要求低紋波電壓。文章[5]對(duì)幾種用于高壓直流電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了介紹，并對(duì)它們進(jìn)行了比較，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

近年來(lái)，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(lái)了新的技術(shù)問(wèn)題。過(guò)高的頻率會(huì)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(jī)效率下降。

鑒于以上問(wèn)題，本文采用雙路電源并聯(lián)輸出的方法得到低紋波直流。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。

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圖1 系統(tǒng)框圖

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圖2 電源主回路原理圖

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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(dú)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(guò)控制全控整流橋的移相角來(lái)實(shí)現(xiàn)。IGBT 的觸發(fā)脈沖參數(shù)：0 kHz~20 kHz、占空比45%,-5 V~+15 V,上下橋臂脈沖相差半個(gè)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。將兩路電壓并聯(lián)，即可得平直電壓。

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圖3 IGBT 觸發(fā)脈沖波形

可見，加大輸出電容值也可以減少紋波，或者采用多個(gè)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(lái)獲得平直的直流電壓， 設(shè)備正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題是兩路并聯(lián)電源的電壓平衡問(wèn)題，即要求兩路輸出的電壓幅值時(shí)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(cè)、比較及自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，實(shí)際設(shè)計(jì)的電路工作過(guò)程如圖5 所示。

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圖5 電壓跟蹤電路結(jié)構(gòu)框圖

在檢測(cè)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， 消除接地回路的干擾。把檢測(cè)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(shí)運(yùn)放輸出抖動(dòng)的問(wèn)題， 同時(shí)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(lái)調(diào)制經(jīng)過(guò)隔離的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。它將檢測(cè)到的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)化為脈寬與其電壓成正比的方波信號(hào)。

在具體應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)頻率范圍來(lái)設(shè)計(jì)合理的RC 濾波電路。濾波器的輸出與其輸入之比β 為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用本方案試制了一套小功率系統(tǒng)，以此來(lái)驗(yàn)證電路的可行性。

為了方便調(diào)試，樣機(jī)采用晶閘管整流，本樣機(jī)選用西安電力電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的KK200 整流晶閘管。三相電經(jīng)過(guò)一個(gè)降壓變壓器（變比10∶1）接到2 個(gè)整流橋。

三相全控整流橋輸出直流平均電壓為：Ud=1.35U1cosα式中，U1-輸入三相線電壓有效值；α-三相橋式全控整流控制角。

本樣機(jī)整流橋進(jìn)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 kΩ。下面給出了各路逆變頻率為13 kHz 時(shí)的相關(guān)波形圖：

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圖6 實(shí)驗(yàn)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(méi)有經(jīng)過(guò)并聯(lián)的兩路分別輸出時(shí)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(dòng)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(dòng)明顯減小，紋波變低，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?yàn)證了設(shè)計(jì)思想的正確性。

4 結(jié)論

通過(guò)小功率試驗(yàn)的驗(yàn)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)備的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)控制等輔助電路的要求也降低；另外并聯(lián)后輸出電壓的脈動(dòng)頻率高且幅值小，容易濾波，所以可以減小輸出端的濾波電容。由于電路是兩路電源并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，可以提高電源的輸出容量。