大功率高稳定直流高压发生器的研制

阮浩杰，李永腾，张仕勇，陈 炯

(1.宁波北仑供电局，浙江宁波 315800;2.上海电力学院，上海 200090)

作为供电电源和试验电源，直流高压电源已在实际中得到广泛应用，如电机的驱动、直流高压试验系统、静电除尘电源等［1，2］.传统的直流高压电源的工作原理为:首先利用高压变压器将工频电压升高，然后利用高压硅堆将交流电压整流成直流，并利用滤波电容降低系统的纹波系数.整个系统存在纹波系数大、体积大、质量重等缺点.目前，随着微电子技术和电力电子技术的迅速发展，该电源正向小型化、高可靠性方向发展［3，4］.

本文采用AC-DC-AC-DC的方法设计了一台输出电压大小为20 kV，输出电流为0.5 A，并且纹波系数控制在0.1%的直流高压电源.设计了整个直流高压电源的主电路，并利用PSPICE软件［5］对电路参数进行了仿真分析.

1 主电路设计

由直流高压发生器的电路可知，系统的纹波系数与交流电压的频率成反比，即频率越高，纹波系数越小.此外，通过提高系统交流电压的频率，在相同条件下不仅可以降低系统输出电压的纹波系数，而且还可以使系统的体积和质量大大降低.因此，本文设计的直流高压发生器亦采用该方法，即首先将工频交流电压调制成高频交流电压，然后整流成直流电压.其电路如图1所示.

由图1可知，整个直流高压发生器由整流电路、逆变电路、升压变压器和倍压整流电路4部分组成.整个电路的工作过程如下:首先利用全桥整流电路将50 Hz的交流电压整流成直流电压，利用由IGBT组成的全桥逆变电路将直流电压逆变成20 kHz的交流方波电压，然后进入升压变压器，将低压的交流电压变为高压交流电压，最后通过倍压电路将交流电压整流成直流电压输出.

图1 直流高压发生器原理

采用PSPICE软件对所设计的电路进行仿真，仿真结果如图2所示.由图2可以看出，本文所设计的直流高压发生器的电路是可行的.

图2 直流高压发生器的仿真波形

2 整流电路

本文采用全桥整流电路，并通过控制可控硅的导通角来实现对输出电压的连续调节，其电路如图3所示.

图3 单相桥式可控整流滤波电路

整个电路的工作过程如下:在单相桥式可控整流电路中，晶闸管D2和二极管D4组成一对桥臂，晶闸管D1和二极管D3组成另外一对桥臂.在U1的正半周，若2个晶闸管不导通，则C1两侧的电压为零，D2和D4串联承受电压U1.设D2和D4的漏电阻相等，则各承受U1的50%.若在触发角α处给D2加触发脉冲，D2和D4即导通，对电容进行充电.当U1过零时，流经晶闸管的电流也降到零，D2和D4随即关断.在U1的负半周，仍在触发角α处触发D1，则D1和D3导通，对电容进行充电;当U1过零时，电流又降到零，D1和D3关断.此后又是D2和D4导通，如此循环往复，以达到整流的目的.

电路通过对晶闸管导通角的控制，可以有效地控制电压输出，实现连续可变地调控电压.本文对整流二极管的参数也进行了仿真分析，其电压和电流的波形如图4和图5所示.

图4 整流二极管上的电压波形

图5 整流二极管上的电流波形

由图4和图5可知，为了使二极管能够可靠运行，其参数应选择200 A/1 000 V.

3 逆变电路

由于直流高压电源输出功率大，本文采用IGBT构成的全桥逆变电路来实现直流向交流的逆变，其电路如图6所示.

图6 逆变电路示意

由图6可知，电压型全桥逆变电路共有4个桥臂，可以将其看成由两个半桥电路组合而成.将桥臂Z1和Z4作为一对，桥臂Z2和Z3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°.其输出的波形为矩形波.其工作原理如下:当IGBT中的Z2和Z3导通时，电路从a点开始，经过 Z2，c点，负载R1，d 点，Z3，最后回到 b 点结束.此时，c点的电压高于d点的电压.当IGBT中的Z1和Z4导通时，电路从 a点开始，经过 Z1，d点，负载R1，c点，Z4，最后回到 b点结束.此时，d点的电压高于c点的电压.从上述过程可以看出，负载R1上得到的电压波形为交流方波信号，即实现了从直流到交流的逆变过程.在此基础上，本文对IGBT的参数进行了仿真分析，其电压和电流的波形如图7和图8所示.

图7 IGBT上的电压波形

由图7和图8可知，应用于本系统的IGBT的参数应选择为50 A/1 200 V.

图8 IGBT上的电流波形

4 倍压电路

根据倍压电路结构的不同，可分为半波倍压电路、全波倍压电路和3倍压电路.本文采用半波倍压电路来实现直流高压的输出.由于本文所设计的是高稳定、低纹波系数的直流高压电源，因此需要对倍压电路的参数进行设计.半波倍压电路的纹波系数计算公式为:

由式(1)可以看出，纹波系数的大小与电源的频率、倍压的级数、电容的容量和负载的大小有关.因此，根据上述要求，本文设计了直流高压电源倍压电路，如图9所示.

图9 倍压电路示意

由图9可以看出，整个电路采用两级倍压，这是因为输出电压的纹波系数随级数的增加而增加.此外，在倍压电路的输出端还添加了一个滤波电容，用于降低输出电压的纹波系数.为了验证所设计的电路是否能够满足要求，采用PSPICE软件对电路进行仿真.其参数为:电源电压U=5 kV，f=20 kHz，C=0.2 μF，滤波电容C12=50 μF.仿真结果如图10所示.

由图10可以看出，电源的输出电压为20 kV，电流为0.5 A，纹波电压约为1 V，满足设计要求.

图10 直流高压发生器输出电压波形仿真示意

5 结论

(1)采用可控硅实现的整流桥，通过控制其导通角，可实现对输出直流电压的连续调节;

(2)通过逆变技术，将工频交流变成高频交流，可使电源的纹波电压大大降低，以稳定输出电压.

(3)本文所采用的应用AC-DC-AC-DC的方案是可行的，能够实现高稳定、低纹波系数的直流高压电源的研制.

［1］周好斌，钟桂香，王毅.静电除尘器用智能高压直流电源的研制［J］.高电压技术，2005，31(5):61-63.

［2］李东仓，杨磊，袁龙.中频供电高压直流稳压电源［J］.电气传动自动化，2004(3):4-6.

［3］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2008:132-140.

［4］林渭勋.现代电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2006:170-176.

［5］戚栋，孙炳全.基于OrCAD Pspice的高压电源设计与分析［J］.仪表技术，2004(2):54-55.