一种电压可调高频高压电源的设计

摘要

摘要

根据设计要求本文设计了一个高频高压电源系统。首先设计了高频高压电源的主电路，并对主电路中的各个功能模块（BUCK，半桥逆变，CW倍压电路）进行了原理分析和仿真研究，同时对及相应的参数进行计算和设计，对其性能做了优化。同时重点研究了电源系统的可实现性，及一些关键的实现技术。设计采用了常规的PI调节的高压电源的控制系统，使输出的纹波达到所规定的要求。设计了相应的实现电路。最后本文对所选的控制芯片SG3525，IR2110及光电隔离芯片HCNR201做了原理分析和设计。

设计的同时还对该系统进行了全面的Pspice仿真。仿真结果表明该设计中的主电路可以满足要求，各部分电路均工作在安全稳定的范围内，控制电路可以达到精确调节输出电压幅值并起到了一定的抑制谐波的作用。

关键词：高频；高压；开关电源；SG3525；

I

Abstract Abstract

According to the design requirements for the high voltage power supply system. First, we make the design of main circuit of high voltage power supply. And make analysis and simulation studies the main circuit of each function module (BUCK, half-bridge converter CW, as the principle of voltage circuit), and take calculationing of corresponding parameters and designing,so the power supply work better.And studied stressly the power supply system , and some realizability key technology. The design of the high voltage power supply take the conventional PI adjust controlling means. Output ripple to meet the specified requirements. We take the design of corresponding implementing circuit. Finally we make principle analysising and designing of the control chips selected SG3525 ,IR2110and photoelectric isolation HCNR201.

The design of this system are also discussed comprehensively the Pspice simulation. The study showed that the design of main circuit can satisfy the requirements, each part is working safety and stability of the circuit and control circuit of the range can achieve precise adjustment output voltage amplitude and played a certain role to restrain the harmonics.

Keywords high frequency ; high voltage ; switch power supply ; SG3525 ;

II

目 录

摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 课题背景 .............................................................................................. 1 1.1.1 高频高压电源的国内外现状和发展 .......................................... 2 1.1.2 课题的意义 .................................................................................. 4 1.1.3 本文的研究内容和研究方法 ...................................................... 4 第2章 高频高压电源主电路各模块工作原理分析 ........................................ 6

2.1 高频高压电源主电路总体方案的设计 .............................................. 6 2.2 主电路各模块原理分析及设计 .......................................................... 6

2.2.1 整流及滤波电路分析设计 .......................................................... 6 2.2.2 Buck斩波电路工作原理分析及设计 ........................................ 9 2.2.3 半桥逆变电路的工作原理分析及设计 .................................... 12 2.2.4 变压器的设计 ............................................................................ 14 2.2.5 CW倍压电路工作原理分析及设计 ........................................ 17 2.3 系统主电路开环仿真 ........................................................................ 19 2.4 本章小结 ............................................................................................ 20 第3章 高频高压电源控制电路的设计 .......................................................... 22 3.1 BUCK电路的模型建立...................................................................... 22 3.2 控制电路设计 .................................................................................... 24 3.2.1 控制信号PWM波的发生 ........................................................ 24 3.2.2 采样的电压的选取 .................................................................... 26 3.2.3 比例积分环节的设计 ................................................................ 26 3.2.4 控制电路 .................................................................................... 29 3.3 闭环系统的仿真 ................................................................................ 29

3.4 闭环系统的抗干扰性能 .................................................................... 34

III

3.5 本章小结 ............................................................................................ 36 第4章 驱动电路及芯片的设计 ....................................................................... 37 4.1 SG3525的设计 .................................................................................. 37 4.1.1 SG3525功能简介....................................................................... 37 4.1.2 SG3525参数设计....................................................................... 38 4.2 驱动芯片IR2110的设计 ................................................................... 39 4.3 光电耦合隔离的设计 ........................................................................ 42

4.4 本章小结 ............................................................................................ 43 结论 ..................................................................................................................... 44 参考文献 ............................................................................................................. 45

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景

高频高压电源是相对于工频高压电源和中频高压电源而言的。高频高压电源是一种高压开关电源，其开关频率大约在50kHz左右，中频在2kHz左右，工频为50/60Hz，高频高压电源由于频率高，变压器可以做得很小。高频高压电源的优点是：体积小，精度高，动态响应快，技术含量高，随着原材料价格的飞涨和技术发展，高频高压电源在价格上越来越具优势。实际上工频高压电源在发达国家已经淘汰。

而现在的各式各样的电器产品中所需的电源标准不一，需要对市电进行进一步的变换改善才能使用。在这些电器中高压直流电源有着很广泛的应用。为提高电源质量电源变换一般采用高频开关电源转换器，这样不仅可以减小电源的体积而且可以提高电能的转换效率。

随着电子技术的不断发展和元器件工艺水平的提高，国内外电源市场也越来越繁荣。国内开关电源(SPS)市场前景广阔，各种逆变器、UPS以及500V以下的中低压电源占主体，而输出电压在1000—5000V的高压电源很少，限制了其应用和发展。

然而高频高压直流电源有着广泛的应用。高频高压电源广泛地应用于高压电气设备的直流耐压和泄漏试验，工业中通过放电用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等；医学方面用于X光机、CT等大型设备；科研上用于高能物理、等离子体物理；军事上雷达发射器、脉冲点火技术等。

基于各类自然学科的发展，在更多的领域对电能有了更加特殊的要求。然而在国内的用电粗放，电源仍以工频电为主，由于工频电的种种缺点导致了现代工业很大的浪费。虽然已有部分先进企业已开始采用高频电源但在国内仍有很大的发展空间。而与此同时国外都有了比较先进的研究成果，高频高压电源的异军突起，使得其在X射线管，中子发生器，低臭氧发生器，及高压激光电源等方面有了很大的进展。在高频电源设计中电路拓扑上出现了CW倍压电路，在电力电子器件上出现了一系列的品质优良的产品，推动了整个电源行业的发展。在控制上出现了DSP控制的连续可调技术，使

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