一种直流高压电源的设计实现

高 文，肖海峰，乔社娟，马 昭

（西安航空学院 电子工程学院，西安710077）

当今社会，发展日新月异，各行各业对电力供电、电气设备的依赖程度不断加大，保证电力系统的正常供电，电气设备的正常工作，是现实中十分必要的。 在日常维护过程中，检测电力系统中变压器、输电线路和电气设备的绝缘性能是最简单快捷的方法。 而在进行绝缘测试时，多数设备仪器基本都需要使用直流高压电源。 同时成像系统数据采集系统中也通常使用到直流高压电源。 从应用场景综合考虑，一种简洁、方便的直流高压电源，具有较大市场的需求， 故在此设计实现了一款直流高压电源。 该电源具有体积小、操作便捷的优点，而且精密可控、宽动态范围，使用场合丰富，通用性强。

1 系统方案

测量绝缘电阻和成像系统高压电源多被用作测试源或激励源，要求具备高电压、小电流的能力，为此设计了电压10 kV， 电流2 mA 的直流高压电源。 设计要求直流高压电源成本低、控制简洁、使用方便。 系统框图如图1 所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

控制器作为系统的核心部分，控制器实现对功率电路的控制和接收反馈信号，实现整个系统的闭环控制，同时对外有通信接口和操作接口，可方便地实现与对外系统或者用户的对接。

驱动部分在控制电路和主功率拓扑电路之间，驱动部分实现对控制电路输出的PWM 脉冲进行放大，足以驱动功率电路动作。 它也是电路的主要组成部分，同时也可以在此采取一定的保护措施。

主拓扑电路和升压变压器该部分实现了从低电压到高电压的转换，设计时还要充分考虑高电压设计所带来的种种问题。

倍压电路该电路是实现最终高压直流源的重要部分，倍压电路的阶数选择、相关器件参数的选择都将影响到实际的输出效果。

采样电路和调理电路它们共同完成输出量到控制系统的反馈，为系统闭环控制不可缺少的部分。

2 主拓扑电路分析

对于所设计的直流高压电源，主拓扑电路采用推挽开关电路， 整个系统由主控制器输出PWM 脉冲，通过驱动电路放大进而对双管进行开通和关断控制。 在系统中前段采用驱动电路以及保护电路，由此将驱动功率管实现拓扑工作。 具体的主拓扑电路如图2 所示。

图2 主拓扑电路Fig.2 Main topology circuit

如图所示，主拓扑电路采用推挽开关电路。 电路由互补通断的开关管Q1，Q2以及升压变压器T1组成，后续电路采用倍压整流电路，因此该部分可以使变压器体积明显减小。

T1变压器原边绕组作为主拓扑的一部分，副边绕组受原边控制升压输出， 其主要工作过程如下：当主控制器发出PWM 脉冲经驱动电路后， 高电平到达Q1的基极，控制Q1导通，此时保证Q2基极电平为低，Q2保持关断；同理，当Q2开通时保持Q1关断。

3 倍压电路

由于倍压电路在变压器次级回路中的应用，可以将变压器副边输出的电压值经过倍压电路后，达到原来电压值的2 倍、4 倍，甚至8 倍，从而明显地缩小了变压器的体积，并且有效地降低了变压器副边首末端的电压差，降低了变压器副边绕组线圈的缠绕难度和成本，有效降低了高压风险[1]。

该设计的最大输出电压值为10 kV。 考虑到变压器本身寄生参数及损耗等问题，系统采用三阶六倍压电路，整个系统输出可达到10 kV（通过闭环控制实现稳定的电压输出），如图3 所示。

图3 实际采用的倍压电路Fig.3 Actual voltage doubling circuit

当变压器副边绕组输出为上端正、 下端负时，变压器绕组向图3 所示的上面3 组（2 个电容并联为1 组）电容进行充电，此时电流的实际流向如图4所示。

图4 变压器副边绕组上端为正时的电流流向Fig.4 Current flow direction of transformer secondary windings with positive current at the upper end

当变压器副边绕组输出为上端负、 下端正时，变压器绕组向图3 所示的下面3 组（2 个电容并联为1 组）电容进行充电，此时电流的实际流向如图5所示。

由于原边推挽电路受控制器控制交替导通，所以副边倍压电路重复上述过程，当达到稳定后，图5中C1，C2组电容两端电压为U， 而其余几组电容两端电压都为2U。 因此，当选取下端3 组电容的两端为输出端时，输出电压为6U。 在此，选取C11-C12电容组的右侧为输出端负，C3-C4电容组的左侧为输出端正。

图5 变压器副边绕组上端为负时的电流流向Fig.5 Current flow direction when the upper end of transformer secondary winding is negative

倍压电路结构简单，实现方便，但是倍压阶数对输出纹波和带负载时电压跌落有较大的影响。 设输出电流为I，每个电容的容量相同为C，开关频率为f， 电路阶数为N （二倍压为一阶）， 则跌落电压ΔU 和输出电压纹波Uripple[2]通常为

在此采用三阶六倍压电路， 负载要求2 mA，选取电容为0.1 μF，开关频率为10 kHz，则计算的输出纹波电压和最大跌落电压为

在设计中， 整流二极管选择型号为2CL2FK，VRRM可达到10 kV，完全可以满足系统的设计要求。而设计使用0.1 μF 电容，2 个并联可保证输出带负载能力，由于高电压电容容量的大小与价格也紧密相关， 故在设计时也充分考虑了电容的电压等级、容量和成本等因素。

4 闭环控制

所设计的直流高压电源可以根据设定输出达到稳定的输出电压。 主要采用的闭环控制方式如图6 所示。

图6 系统闭环控制框图Fig.6 System closed loop control block diagram

整个硬件系统设计有采样电路和信号调理电路，最终将输出电压采样调理为0～3 V 的电压信号，送入控制器的AD 端口， 控制器根据反馈的实际输出电压进行闭环控制，将实际输出电压与设定电压进行比较， 再根据比较结果调整输出PWM 脉冲的占空比，以确保输出电压的精准和稳定。

通过对实际拓扑及控制策略进行仿真，仿真结果较为理想，具体仿真输出波形如图7 所示。

图7 系统的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the system

5 系统调试及结果

完成整个系统设计后，根据某直流高压电源项目进行了实物设计与调试，制作了相关电路板。 直流高压电源的实物照片如图8 所示。

图8 高压直流源系统实物Fig.8 High pressure DC source system

根据项目设计要求，将该系统分为控制驱动板和高压板。 考虑到整个系统输出电压达到10 kV，分开设计有利于产品结构的设计。

在直流高压电源实物的调试过程中，考虑到整个系统的设计情况， 测试PWM 占空比对真实输出电压的影响， 在前期测试记录数据为开环测试，同时考虑项目后续更高电压等级电源的设计，因此参数余量都较大。10 kV 测试需要专用的高压探头，而实验室的实际测试采用高精度万用表串接在负载回路中测量实际电流值，进而计算得出输出电压值。具体测量结果见表1， 其中实际测试负载为3 MΩ电阻。

表1 试验数据记录Tab.1 Test data record

由表1 实际测试得到的真实数据可知，直流高压电源的设计完全可满足最初的设计要求，实现了输出电压10 kV，带负载能力达到2 mA（测试负载为3 MΩ 时可达3 mA）。

6 结语

直流高压电源的设计，通过主控制器控制输出PWM 脉冲，经驱动电路、主拓扑电路和倍压电路后实现高压电源的输出；当采用单片机或DSP 等主控制器时， 便于与外部的通信及其他功能的实现，如实现单一的高压电源模块也可以采取SG3525 等专用控制芯片。 所设计直流高压电源硬件电路简洁、成本低、对外接口少、操作方便，达到了设计要求，满足了客户需求。