脈寬調制型直流高壓發生器制造技術

本實用新型專利技術涉及一種直流高壓電源設備，為解決設備笨重和音頻噪聲大的問題而設計。設備控制部分采用超音頻（＞２０ｋＨｚ）脈寬調制型電路，高壓發生部分采用由高頻陶瓷電容、高壓硅堆組成的倍壓整流電路。以脈寬調制控制集成電路為核心件的ＰＷＭ轉換單元產生超音頻調制波饋至特別設計的雙半橋功率轉換電路，實現直－交逆變，經中頻升壓變壓器升壓后送倍壓器輸出直流高壓。具有重量輕、體積小、效率高的特點，可在流動場所使用。（*該技術在2003年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種電源設備，更確切地說是涉及一種直流高壓電源設備。直流高壓發生器可用于對各種高壓電氣設備及電力電纜作直流耐壓和泄漏試驗，也可用于其他需要直流高壓電源的場所，廣泛應用于電力系統、電力基建單位和作為穩壓型高壓直流電源使用。脈寬調制型直流高壓發生器通常由直流電源及電壓調節電路，穩壓電源及產生交變振蕩方波信號的振蕩電路，受振蕩電路輸出控制、實現直－交逆變的開關放大電路，對開關放大回路輸出的可變幅值高頻電壓經升壓變壓器和倍壓整流電路變為高壓直流輸出的升壓及倍壓整流電路和保護信號電路組成。該類直流高壓發生器普遍存在的兩大問題是笨重和噪聲干擾，由于工作于開關狀態的功率輸出級的工作頻率為音頻約4KHz，功率器件多采用大功率三極管，其推動部分多采用振蕩變壓器，因此4KHz的工作頻率會產生很大的音頻聲，造成環境噪聲污染，不僅危及操作人員的身心健康，而且該頻率噪聲極易干擾正常的電暈聲和放電聲，使操作失誤；又由于采用大功率直流穩壓電源，使設備的大部分重量都集中到穩壓部件上，如大功率的工頻隔離電源變壓器及濾波器，大功率調整管所必需輔加的散熱器等。由于電源的體積、重量與其工作頻率成反比下降，因此解決該類直流高壓發生器小型化及噪聲干擾的有效途徑是提高功率轉換部分的工作頻率，解決中頻電源問題。實驗表明工作頻率增至19KHz時，對98％的作業人員沒有影響。目前國內這方面的技術現狀是有工作頻率為4KHz、0～60KV高壓、輸出電流為mA級的晶體管直流高壓試驗器和工作頻率為10～20KHz、高壓輸出電流為μA級的靜電噴漆小型直流電源。本技術的目的是設計一種工作頻率為超音頻(20KHz以上)的高壓輸出電流為mA級的小型化直流高壓發生器。本技術直流高壓發生器的控制部分采用轉換效率高的超音頻脈寬調制型電路，高壓發生器部分采用由高頻陶瓷電容、高頻硅堆組成的倍壓整流電路，使操作環境無噪音設備體積、重量明顯改善成便攜式。本技術的脈寬調制型直流高壓發生器，包括整流濾波電路，實現直－交逆變的功率轉換電路，升壓變壓器，倍壓整流電路，電壓、電流取樣電路，反饋電路，脈寬調制PWM轉換電路，電壓、電流顯示電路和過壓、過流保護電路，其特征在于1)所述的功率轉換電路是改進的雙半橋電路，其中改進的半橋電路是一發射極串接電感線圈的三極管和一集電極串接電感線圈的三極管以其電感線圈端連接的串聯電路與兩個串聯電解電容器并接，電容正極與三極管集電極并聯并接直流電源正端，電容負極與三極管發射極并聯并接直流電源負端；第一個改進的半橋電路電感線圈的串接點與第二個改進的半橋電路電容的串接點短接，第二個改進的半橋電路電感線圈的串接點與第一個改進的半橋電路電容的串接點間接升壓變壓器的初級繞組；2)所述改進的雙半橋電路的四個三極管基極接脈寬調制PWM轉換電路；3)所述的升壓變壓器是中頻升壓變壓器。下面結合實施例附圖詳細說明本技術的技術。附附圖說明圖1為脈寬調制型直流高壓發生器方框原理圖。附圖2為圖1所示功率轉換電路原理圖。附圖3為圖1所示PWM轉換電路原理圖。參見附圖1，圖1所示的脈寬調制型直流高壓發生器，整流濾波電路11，實現直－交逆變的功率轉換電路12，中頻升壓變壓器13和倍壓整流電路14順序連接，其中功率轉換電路12和中頻升壓變壓器13作為直流高壓電源的輸入級，倍壓整流電路14輸出直流高壓，電壓、電流取樣電路16從倍壓整流電路14取樣分別送電壓、電流顯示電路18、反饋電路15和過壓、過流保護電路17，反饋電路15和過壓、過流保護電路17的輸出信號送PWM轉換電路19調整其多諧振蕩器的輸出脈沖寬度，PWM轉換電路19輸出脈寬調制波送功率轉換電路12控制功率轉換，功率轉換電路12是發生器的核心單元，起著承上起下的作用。現有技術中一般采用典型的雙管推挽式電路、半橋電路或全橋電路作為功率轉換電路，推挽電路和全橋電路輸出功率大、輸出電壓高，但不具備抗不平衡能力，半橋電路雖有抗不平衡能力，但輸出功率較小，輸出電壓低，顯然這三種傳統電路設計都無助于實現本技術的目的。參見附圖2，本技術特別設計了一種改進型雙半橋式(雙H型)功率轉換電路作為發生器開關電源的功率轉換電路，具有抗不平衡性能，并以此為前提條件獲得最大的輸出峰峰值電壓，根據P＝VI而實現較大功率輸出。圖中電源變壓器T、二極管D5－D8、D9－D12、電容C1、C2、C3、C4構成整流濾波電路，為改進型雙半橋功率轉換電路提供工作電源，三極管BG1～BG4，電容C1～C4、電感L1～L4構成改進型雙半橋電路，Tr為中頻升壓變壓器，14為倍壓整流電路。BG1～BG4的基極受PWM轉換電路19控制交替導通截止。四只三極管BG1～BG4的基極饋入由PWM轉換電路推動變壓器的四個次級繞組分別接入，同一半橋的兩只三極管基極饋入的繞組極性相反。當連續的交變脈寬調制波信號饋入基極后，同一半橋路中的兩只三極管交替導通、截止，以開關狀態工作，從而實現直－交逆變，放大后的中頻交流信號經中頻升壓變壓器輸出至倍壓整流電路14。改進型雙半橋電路的工作過程是當控制BG1、BG3同時導通，BG2、BG4同時截止時，其電流回路是C3→BG3→L3→C1→BG1→L1→Tr初級繞組→C3；當控制BG2、BG4同時導通，BG1、BG3同時截止時，其電流回路是C4→Tr初級繞組→L2→BG2→C2→L4→BG4→C4。如此交替循環地在中頻升壓變壓器Tr初級繞組上施加正反兩向電壓。在交替轉換過程中，通過二極管D1～D4的箝位作用泄放瞬間能量，以保護BG1～BG4，使施加在BG1～BG4上的反向電壓保持在一定范圍內，不會被擊穿。改進型雙半橋電路可有效地克服不平衡問題，由于電路設計保證了變壓器磁通始終工作在對稱平衡狀態下，從而可降低磁通裕度B的設計余量，可提高變壓器的磁通利用率，使同樣體積的鐵芯可達到最大輸出功率。雙半橋電路可降低對功率器件一致性的要求，便于選用功率器件。因此雙半橋電路可在具有抗不平衡的性能前提條件下獲得較大的輸出峰峰值電壓，以最小的設備體積獲得最大的輸出功率，為實現20KHz以上的中頻升壓變壓器、高VP－P輸出創造了條件。本技術的雙半橋功率轉換電路，中頻升壓變壓器Tr與電感L、電容C組成串聯諧振電路，因此為改進的雙半橋電路，具有工作電流量最小、Tr上電壓最高的特點。實施時選擇變壓器電感與外加L相配合，使中頻升壓變壓器Tr上通過的電壓波形接近正弦波，保證功率器件工作在最佳狀態，減小無功損耗，最大限度地提供有功輸出，實現波形轉換，從而實現PWM狀態下的寬幅調壓要求，為20KHz以上的高電壓大功率輸出提供了必要的條件。參見附圖3，PWM轉換電路，采用PWM控制器TL494，是一種專為開關電源提供控制信號的集成芯片，其內部多諧振蕩器產生20KHz以上的交變振蕩，輸出的脈寬調制波信號經驅動器N2、N3加至推動變壓器T1、T2的初級繞組，次級繞組輸出控制功率轉換雙半橋電路的四個晶體管兩兩交替開關工作。PWM控制器N1的第一腳為輸入端接收反饋電路的輸出電壓，第16腳接入基準電壓。由于直流高壓發生器整機工作頻率的提高，使倍壓整流電路的體積大大縮小，經選擇體積小、耐壓高的高頻陶瓷電容和高壓硅堆，這種無感電容器大大縮小了倍壓整本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種脈寬調制型直流高壓發生器，包括整流濾波電路，實現直－交逆變的功率轉換電路，升壓變壓器，倍壓整流電路，電壓、電流取樣電路，反饋電路，脈寬調制ＰＷＭ轉換電路，電壓、電流顯示電路和過壓、過流保護電路，其特征在于：１）所述的功率轉換電路是改進的雙半橋電路，其中改進的半橋電路是：一發射極串接電感線圈的三極管和一集電極串接電感線圈的三極管以其電感線圈端連接的串聯電路與兩個串聯電解電容器并接，電容正極與三極管集電極并聯并接直流電源正端，電容負極與三極管發射極并聯并接直流電源負端；第一個改進的半橋電路電感線圈的串接點與第二個改進的半橋電路電容的串接點短接，第二個改進的半橋電路電感線圈的串接點與第一個改進的半橋電路電容的串接點間接升壓變壓器的初級繞組；２）所述改進的雙半橋電路的四個三極管基極接脈寬調制ＰＷＭ轉換電路；３）所述的升壓變壓器是中頻升壓變壓器。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳奎興，高文忠，馬威，李漢民，孫大坤，
申請(專利權)人：北京市機電研究院高電壓技術公司，
類型：實用新型
國別省市：11[中國|北京]