一种基于BUCK调压的小功率高压电源

摘要：该文设计了一种可调的小功率高压电源，其主电路拓扑包括Buck模块、逆变电路、高频变压器和倍压电路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压升高，最后整流滤波输出稳定高压。研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，控制电路的设计，并利用PSPICE软件进行相应各部分的仿真和参数优化。该研究实现的主要性能是：给定输入电压是交流220V，要求输出电压在范围0～15KV内大范围可调，功率为15W，输出纹波要小于1%。

关键词：直流高压；Buck；半桥逆变；倍压电路

中图分类号：TN-9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）10-2485-03

近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点：1）高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出；2）大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件；3）高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。该文的主要研究内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，以及系统仿真研究。

1 主电路设计

1.1 主电路的拓扑结构

这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关（ZCS），并能方便的调节输出电压，因为利用了高频变压器的寄生参数，从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路，减小了高频变压器的变比和寄生参数；尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略，可十分方便、灵活地进行电压调节；采用定频定宽的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。

1.2 BUCK电路工作原理

半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为1/2且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥逆变电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。

2 控制电路分析及总结

通过该文高压电源的设计过程，可以得到以下结论：

1）针对系统要求输出电压为0-15KV，且输出功率为15W的情况，选用BUCK调压电路与桥式逆变电路相组合得到高频脉冲电压，后经过高频变压器和倍压电路完成升压和整流作用。

2）BUCK闭环环节使用光电耦合器HCNR201进行电压采样隔离，MOSFET的隔离驱动使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保证驱动电路工作的有效性和安全性。

3）逆变电路的控制电路由芯片SG3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了过压保护、过流保护、软启动、欠电压锁定、击穿短路保护等功能保证控制信号的准确性。SG3525输出的PWM信号通过两片IR2110后驱动逆变电路的两个桥臂，这保证了驱动信号间的死去时间，防止桥臂的直通现象。

4）电路设计中摈弃传统工频变压器升压模式，而采用高频变压器和倍压电路共同完成升压作用，在减小系统体积上有突出作用。

3 调试结果

4 结束语

本文介绍的一种基于BUCK调压的小功率高压电源，其特点是：1）采用了倍压电路，减小了变压器的变比，使其在工艺和制造上成为可能，并且能够在一定条件下实现零电流软开关，从而大大减小了开关损耗；2）该电源可以工作在110V、220V不同电压下，因为开拓了国内外市场；3）该拓扑结构简单，易于实现；4）该电源利用了DSP，实现了数字PI的实时控制，因而能良好的工作且实现远程通信。

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