高压电源的特点与设计
高压电源的特点与设计
演讲者 戴斌 演讲者：戴斌 世纪电源网版主 乞力马扎罗的雪 世纪电源网版主：乞力马扎罗的雪 联系方式 [email protected] 联系方式： b d @163
高压电源的广泛应用
高压电源在电源领域中属于特种电源，它的应用是 非常广泛的，其应用领域主要在以下方面： 高压放电类 高压静电场类 电子与离子加速器类
高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
高压变压器的特点
高压变压器等效模型
高压变压器绕组实例
这种结构的绕 组通常称为蜂 窝式绕组或蜂 房式绕组，结 构很复杂 需 构很复杂，需 要用专用的绕 线机才能够完 成。
高压变压器绕组实例
因为蜂窝式绕 组结构复杂， 工艺难度很大， 所以高压绕组 常会采用多槽 骨架的绕组结 构。可有效降 低分布电容， 低分布电容 并保证绕组绝 缘。
常用高压电源电路结构
特点 1 特点 2
特点 4
特点 3
直流高压电源整流滤波电路特点
因为直流高压电源的输出电压很高，所 以次级通常采用倍压整流电路或多绕组 分别整流后串联的结构 通常采用电容 分别整流后串联的结构。通常采用电容 滤 波 ， 极 少 采 用 LC 滤 波 。
半波偶数倍压整流电路
元件的电压应力：最低端 的电容C电压应力为Up， 其他的电容电压应力为 2Up，二极管的电压应力 为2Up Up，变压器次级峰值 电压为Up。
半波奇数倍压整流电路
元件的电压应力：最低端
的电容C 电压应力为Up ，
其他的电容电压应力为
2Up ，二极管的电压应力
为2Up Up ，变压器次级峰值
电压为Up 。
全波偶数倍压整流电路
全波奇数倍压整流电路
倍压整流电路的优缺点
优点：
变压器匝比小次级输出电压低变压器工艺较简单变压器匝比小，次级输出电压低，变压器工艺较简单；次级匝数较少，分布电容相对较小；
对输出功率有自动限制功率的能力。对输出功率有自动限制功率的能力
缺点缺点：
带负载能力差，不适合大功率应用；
输出高频纹波比较大；输出高频纹波比较大
电压建立时间长，某些应用被限制。
变压器次级多绕组整流串联适用于几KW 至几十KW 的大功率高压电源。例如医院做胸透的X 光机高压电源，光机高压电源一般需要般需要50~80KW的瞬间功率，最高电压约150KV ，要求KV 与mA 上升时间在几个毫秒内越快越好多会采用这种结构时间在几个毫秒内，越快越好。多会采用这种结构的电路。
常用高压电源电路结构
特点
特点特点
4
特点
高压电源采样电路特点
R1C1
R2C2
R3C3
R4C4分压用的高压电阻的分布电容较小，所以可以用外部并联已知固定电容的方式来消除分布电容的不确定性的影响。并联电容容量通常在几十pF 到1nF 左右。实际电路中，高压电阻并左右实际电路中高压电阻并联的C1、C2、C3等电容容量比上面
公式中的数值略大目的是给反馈环公式中的数值略大。目的是给反馈环
路提供一个超前补偿，增加反馈环路
的带宽。
高压电源采样电路特点
陶瓷电容A 陶瓷电容B
常用高压电源电路结构
特点
特点特点
4
特点
高压电源功率变换电路特点48V/10A，600W 通讯电源
可选功率变换拓扑方案：
1，双管正激
2，PWM 半桥
3，LLC 半桥/全桥
4，移相全桥30KV/20mA，600W 高压电源可选功率变换拓扑方案：1，电压型BUCK+不可控逆变电路2，电流型BUCK+不可控逆变电路3，带辅助谐振网络的移相全桥带辅助谐振网络的移相全桥4，LC/LCC/LLCC谐振变换器
注：关于高压电源功率变换拓扑的
简介，可以参考作者在21dianyuan
网的另一篇PPT 文档《高压电源电
路与应用》
LC/LCC/LLCC谐振变换器
LC/LCC/LLCC谐振变换器
LC/LCC/LLCC谐振变换器
此外，根据电路我们知道，整流此外根据电路我们知道整流
二极管导通电流在半个周期内的
平均电流应等于输出电流。
其中I Lm 表示近似为正弦波的电感电流峰值表示近似为弦波的电感电流峰值其中，
ω=2πf ，f 是开关频率
若整流二极管的导通角为α
LC/LCC/LLCC谐振变换器我们将升压变压器、整流桥、滤波电容与负载等效为一个RC 网络。采用正弦近似的方法，把逆变器输入方波用其傅立叶展开后的基波代替。
LC/LCC/LLCC谐振变换器我们需要定义2个变量，一个是λ1，是Cp 上电压基波峰值通过变压器到输出电压Vo 的增益系数。
另一个定义的变量是θ，是这个是这个RC 网络输入电压与电流相位之差。由于网络输入电压与电流相位之差由于Re 上消耗的功率应该等于输出负载Ro 的功率，所以我们得到：
LC/LCC/LLCC谐振变换器
C2=Ce+Cp
定义L1、C1串联谐振频率为fr ，开关频率为fs ，ω=22πfs ，定义L1、C1串联电路阻抗为Z1，L2、C2、R 并联电路阻抗为Z2，定义F=fs/fr
LC/LCC/LLCC谐振变换器这样我们就可以求得从输入到等效负载网络的基波增益M1表达式：
LC/LCC/LLCC谐振变换器
LC/LCC/LLCC谐振变换器在直流高压电源中，我们需要求解的是直流电压增益，设为K DC ，则
LC/LCC/LLCC谐振变换器在前面的计算中，我们用到了两个自定义的变量λ1与θ，这2个变量可以通过详细分析电路的工作时序，用整流二极管的导通角α来表达出来，下面直接给出二者的表达式，详细的推导过程，请参考论文：1、An RC Load Model of Parallel and Series-Parallel Resonant DC-DC Converters with Capacitive Output Filter Author ：Gregory Ivensky etc. 2、考虑分布电容的高压直流电源谐振参数设计
作者：吴为麟等
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
设计要求：400Vdc 输入，30KV20mA 输出，开关频率50KHz 方案采用全桥LLCC 谐振变换器，输出采用方案：采用全桥谐振变换器输出采用3阶半波6倍压整流。倍压整流假设输出的高频纹波为1%，那么按照3阶半波6倍压的纹波计算公式有：
30KV20mA LLCC 电路仿真30KV20mA LLCC
选择合适的变压器变比n ，使电压增益K DC 数值在1~2之间比较合理。这里取n=10。绕制一个匝比为60:600的高压变压器，测量得到初级电感量为11mH ，次级电感量为1100mH ，变压器初级漏感约30uH ，测得次级分布电容约为66pF ，此分布电容折算到原边为6.6nF 。有文献建议串联电容C 1的值取为次级分布电容折算到原边的值的2倍。在这里，我个人以为，C 1的取值可以在2~10倍范围内都是可行的。不建议C 1取值太小，那样会使C 1承受较大的电压应力。在本例中，C 1取值22nF 。把上述参数带入前面的公式计算，可以得到：
二极管导通角α=11.83rad 83rad=104104.7676°
RC 网络电压电流相位差θ=0.43rad=24.50°
RC 网络模型中的Cp 电压到V o 的增益系数λ1=1.211881.21188直流电压增益K DC =1.29896
从输入到等效负载网络的基波增益系数|M1|=1.23636||
功率驱动电压超前电流角度⎞=31.28°
谐振电感L 1=1291uH，谐振电感峰值电流I L1pk p =2.76A串联电容C 1的峰值电压V C1pk =398.88V
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
输出电压
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
输入电压与电感电流波形
30KV20mA LLCC
电路仿真30KV20mA LLCC
串联电容C 1的电压波形
总结
简单介绍了高压电源的应用与各部分电路的特点。
介绍了适用于高压电源的LC/LCC/LLCC模型的建立与计算。
通过一个通过个30KV/20mA30KV/20A 高压电源的仿真结果验证了LLCC 模型的正确性。
欢迎大家多多到世纪电源网（www.21dianyuan.com
）来参与技术交流！