研究主要內容包括BUCK電路的分析設計、半橋逆變電路分析設計、倍壓電路的設計，控制電路的設計，并利用PSPICE軟件進行相應各部分的仿真和參數(shù)優(yōu)化。

　　本研究實現(xiàn)的主要性能是：給定輸入電壓是交流220V，要求輸出電壓在范圍0~15KV內大范圍可調，功率為15W，輸出紋波要小于1%。

　　引言

　　高壓電源一般是指輸出電壓在五千伏特以上的電源，一般高壓電源的輸出電壓可達幾萬伏，甚至高達幾十萬伏特或更高。高壓電源廣泛應用于材料改性，金屬冶煉，環(huán)境保護，大功率激光和微波等應用領域。傳統(tǒng)高壓電源采用工頻電源和LC諧振方式，雖然電路簡單，但其體積和重量大，低頻工作狀態(tài)以及紋波、穩(wěn)定性均不能令人滿意，隨著電力電子的發(fā)展，高頻高壓電源成為發(fā)展的趨勢。

　　隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷地被應用于開關電源，使得開關電源的性能不斷提高，特點不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。

　　20世紀70年代世界電源史上發(fā)生了一場革命，即20Hz的開關頻率結合脈寬調制技術(PWM)在電源領域的應用。到目前為止，電源的頻率已經達到數(shù)百 Hz，應用先進的準諧振技術甚至可以達到兆Hz水平。提高振蕩器輸出頻率可降低高壓變壓器、電抗器、平滑電容器、高壓電容器等電子器件基本性能要求和結構體積，進而縮小高壓電源體積。高頻化使高壓電源體積大幅度的減小，輕巧便攜，實用性和使用方便性明顯得到改善。

　　近幾年，隨著電子電力技術的發(fā)展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等應用，高頻逆變技術的逐步成熟，出現(xiàn)了高壓開關直流電源，同線性電源相比較高頻開關電源的突出特點是：效率高、體積小、重量輕、反應快、儲能少、設計、制造周期短。由于它的優(yōu)越特性，現(xiàn)在已逐漸取代了傳統(tǒng)的高壓線性直流電源。

　　伴隨著高新技術的逐步應用，新的技術問題也隨之出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在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)。但由于高頻高壓變壓器是高頻高壓并存，出現(xiàn)了新的技術難點：

　?、俑哳l高壓變壓器體積減小，頻率升高，分布容抗變小，絕緣問題異常突出;

　?、诖蟮碾妷鹤兓仁棺儔浩鞯姆蔷€性嚴重化，漏感和分布電容都增加，使其必須與逆變開關隔離，否則尖峰脈沖會影響到逆變電路的正常工作，甚至會擊穿功率器件;

　?、鄹哳l化導致變壓器的趨膚效應增強，使變壓器效率降低。

　　鑒于上述情況，高頻高壓變壓器如何設計是目前研究的一個難點和熱點問題。

　　研究主要內容包括BUCK電路的分析設計、半橋逆變電路分析設計、倍壓電路的設計，以及系統(tǒng)仿真研究。該電路包括輸入整流濾波電路、BUCK預穩(wěn)壓電路、半橋逆變電路、倍壓電路和輸出整流濾波電路。輸入的交流電源經整流濾波電路變?yōu)橹绷?，通過BUCK預穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定，再經過半橋逆變電路將直流電壓變?yōu)榻涣麟妷?，然后通過一個倍壓電路將電壓升高，最后整流濾波輸出穩(wěn)定高壓。

　　主電路設計

　　1)主電路的拓撲結構(圖1)

　　這里主要介紹了一種基于BUCK調壓的小功率高壓電源。該電源能實現(xiàn)零電流軟開關 (ZCS)，并能方便的調節(jié)輸出電壓，因為利用了高頻變壓器的寄生參數(shù)，從而避免了尖峰電壓和電流。該電源的另一個特點是利用倍壓電路代替了傳統(tǒng)的二極管整流電路，減小了高頻變壓器的變比和寄生參數(shù);尤其是主電路的控制采用了Buck電路和逆變電路的聯(lián)合策略，即采用Buck可十分方便、靈活地進行電壓調節(jié);采用定頻定寬的逆變電路可利用高頻變壓器的寄生參數(shù)實現(xiàn)諧振軟開關。

　　此外，由于該電源無需利用調節(jié)逆變電路的占空比來調節(jié)電壓，因而可充分利用高頻變壓器的磁性;而且由于其控制電路采用了基于DSP的實時數(shù)字PI調解器，因而實現(xiàn)了電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性。

　　2) BUCK電路的設計

　　(1)BUCK電路工作原理，圖2。

　　當開關S閉合后，輸入電壓 完全加在二極管D的兩端，上正下負，二極管被反偏截止。由于此時電容C的初始電壓為零(Vc=Vo 輸出電壓為零)，電容電壓不能突變，所以輸入電壓完全加在電感L之上，形成經開關S、電感L、電容C和電阻R構成的回路建立起初始電流。隨著開關閉合時間的增加，電感電流逐漸增大，這個電感電流中的一部分供給電阻R成為輸出電流，另一部分對電容充電使電容兩端的電壓逐步上升。由于電容電壓從零開始建立，在開關S閉合期間電感電流的增量相對較大，而輸出給R的負載電流與電容電壓成正比，故開始階段電容的充電電流最大，電容電壓上升得最快。

　　當開關S斷開后，由于電感電流不能突變，失去外加激勵趨于下降的電感電流在電感L兩端產生感應左正右負的感應電勢，這一感應電勢將克服電容器電壓使二極管D承受正偏導通，形成L→C、R→D→L的續(xù)流回路。

　　開關閉合時電感電流增加，開關斷開時電感電流下降，電容的充、放電電流在一個周期內的平均值等于零，即：在電容充電電流大于零。

　　(2)主開關管及續(xù)流二極管的選擇

　　VDMOS管為電壓控制器件，驅動容易，沒有二次擊穿現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好，安全工作區(qū)(SOA)大，開關速度快，開關損耗小，就目前VDMOS管的制造水平，在高頻中小功率范圍，尤其在高電壓小電流或低電壓大電流應用場合，VDMOS管具有很高的性能價格比，值得優(yōu)先選用。本設計Ui

　　=300V，ILM=1A，功率開關屬于高電壓小電流工作，實際選用的功率場效應管型號是IRF840，其主要參數(shù)如下：

　　最大反壓VDSVDS：500V

　　連續(xù)工作電流ID：8A

　　峰值電流IDM：32A

　　導通電阻Ron：<0.85Ω

　　開通時間ton：lOns

　　關斷時間toff：9ns

　　續(xù)流二極管的正向額定電流必須大于最大負載電流，耐壓必須大于輸入電壓，且留有余量，此外，另一個根重要的考慮是為減因漏感和引線電感產生的尖峰電壓，續(xù)流二極管宜采用反向恢復時間短，具有軟恢復特性的肖特基二極管(SBD)，實際采用的型號是FR307，其反向電壓為700V，正向額定電流為3A。

　　(3)仿真波形圖

　　BUCK電路如圖3所示，電路采用串聯(lián)開關降壓式結構，其中Q為功率場效應管MOSFET。ton期間，控制信號使Q導通，電流增大，電感儲能;toff期間，Q關斷，電感電流經續(xù)流二極管D向負載釋放能量。對BUCK部分進行仿真，得到如下波形：

　　如圖4所示，Buck電路的輸出電壓保持在140V左右，電感電流呈現(xiàn)脈動形狀，在開關閉合時電感電流增加，開關斷開時電感電流下降。開關頻率為100kHz,占空比為45%。

　　(1)半橋逆變電路工作原理半橋逆變電路原理圖如圖5所示，它有兩個橋臂，每個橋臂由一個可控器件和一個反并聯(lián)二極管組成。在直流側接有兩個相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個電容的聯(lián)結點便成為直流電源的中點。負載聯(lián)接在直流電源中點和兩個橋臂聯(lián)結點之間。

　　設開關器件V1和V2 的柵極信號在一個周期內各有半周正偏，半周反偏，且二者互補。當負載為感性時，其工作波形如圖6所示。輸出電壓uo 為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。輸出電流io 波形隨負載情況而異。設t2時刻以前V1為通態(tài)，V2為斷態(tài)。t2時刻給V1 關斷信號，給V2開通信號，則V1 關斷，但感性負載中的電流io不能立即改變方向，于是VD2導通續(xù)流。當t3時刻t0降為零時，VD2截止，V2開通，io 開始反向。同樣，在t4時刻給V2關斷信號，給V2開通信號后，V2關斷，VD1先導通續(xù)流，t5時刻V1 才開通。各段時間內導通器件的名稱標于圖6的下部。

　　當V1或V2 為通態(tài)時，負載電流和電壓同方向，直流側向負載提供能量;而當VD1或VD2 為通態(tài)時，負載電流和電壓反向，負載電感中貯藏的能量向直流側反饋，即負載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側。反饋回的能量暫時儲存在直流側電容器中。直流側電容器起緩沖這種無功能量的作用。因為二極管VD1、 VD2 是負載向直流側反饋能量的通道，故稱為反饋二極管;又因為VD1和VD2 起著使負載電流連續(xù)的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。

　　當可控器件是不具有門極可關斷能力的晶閘管時，必須附加強迫換流電路才能正常工作。

　　半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud /2，且直流側需要兩個電容器串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此，半橋逆變電路常用于幾KW以下的小功率逆變電源。

　　(2)開關器件的選取

　　在調壓及逆變電路中，開關器件起著核心的作用。開關器件有很多種，如按功率等級來分類，有微功率器件、小功率器件、大功率器件等等：按制造材料分類有鍺管、硅管等;按導電機理分類有雙極型器件、單極型器件、混合型器件等;按控制方式來分類，可分為不可控器件、半可控器件和全可控器件三類器件：不可控器件包括整流二極管、快速恢復二極管、肖特基二極管等：半可控器件包括普通晶閘管、高頻晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等;全可控器件包括功率晶體管(BJT)、功率場效應管功率場效應管(Power MOSFET)，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、

靜電感應晶體管(SIT)、