大功率高穩(wěn)定直流高壓發(fā)生器的研制

阮浩杰，李永騰，張仕勇，陳 炯

(1.寧波北侖供電局，浙江寧波 315800;2.上海電力學(xué)院，上海 200090)

作為供電電源和試驗(yàn)電源，直流高壓電源已在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用，如電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、直流高壓試驗(yàn)系統(tǒng)、靜電除塵電源等［1，2］.傳統(tǒng)的直流高壓電源的工作原理為:首先利用高壓變壓器將工頻電壓升高，然后利用高壓硅堆將交流電壓整流成直流，并利用濾波電容降低系統(tǒng)的紋波系數(shù).整個(gè)系統(tǒng)存在紋波系數(shù)大、體積大、質(zhì)量重等缺點(diǎn).目前，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，該電源正向小型化、高可靠性方向發(fā)展［3，4］.

本文采用AC-DC-AC-DC的方法設(shè)計(jì)了一臺輸出電壓大小為20 kV，輸出電流為0.5 A，并且紋波系數(shù)控制在0.1%的直流高壓電源.設(shè)計(jì)了整個(gè)直流高壓電源的主電路，并利用PSPICE軟件［5］對電路參數(shù)進(jìn)行了仿真分析.

1 主電路設(shè)計(jì)

由直流高壓發(fā)生器的電路可知，系統(tǒng)的紋波系數(shù)與交流電壓的頻率成反比，即頻率越高，紋波系數(shù)越小.此外，通過提高系統(tǒng)交流電壓的頻率，在相同條件下不僅可以降低系統(tǒng)輸出電壓的紋波系數(shù)，而且還可以使系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大降低.因此，本文設(shè)計(jì)的直流高壓發(fā)生器亦采用該方法，即首先將工頻交流電壓調(diào)制成高頻交流電壓，然后整流成直流電壓.其電路如圖1所示.

由圖1可知，整個(gè)直流高壓發(fā)生器由整流電路、逆變電路、升壓變壓器和倍壓整流電路4部分組成.整個(gè)電路的工作過程如下:首先利用全橋整流電路將50 Hz的交流電壓整流成直流電壓，利用由IGBT組成的全橋逆變電路將直流電壓逆變成20 kHz的交流方波電壓，然后進(jìn)入升壓變壓器，將低壓的交流電壓變?yōu)楦邏航涣麟妷海詈笸ㄟ^倍壓電路將交流電壓整流成直流電壓輸出.

圖1 直流高壓發(fā)生器原理

采用PSPICE軟件對所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2所示.由圖2可以看出，本文所設(shè)計(jì)的直流高壓發(fā)生器的電路是可行的.

圖2 直流高壓發(fā)生器的仿真波形

2 整流電路

本文采用全橋整流電路，并通過控制可控硅的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，其電路如圖3所示.

圖3 單相橋式可控整流濾波電路

整個(gè)電路的工作過程如下:在單相橋式可控整流電路中，晶閘管D2和二極管D4組成一對橋臂，晶閘管D1和二極管D3組成另外一對橋臂.在U1的正半周，若2個(gè)晶閘管不導(dǎo)通，則C1兩側(cè)的電壓為零，D2和D4串聯(lián)承受電壓U1.設(shè)D2和D4的漏電阻相等，則各承受U1的50%.若在觸發(fā)角α處給D2加觸發(fā)脈沖，D2和D4即導(dǎo)通，對電容進(jìn)行充電.當(dāng)U1過零時(shí)，流經(jīng)晶閘管的電流也降到零，D2和D4隨即關(guān)斷.在U1的負(fù)半周，仍在觸發(fā)角α處觸發(fā)D1，則D1和D3導(dǎo)通，對電容進(jìn)行充電;當(dāng)U1過零時(shí)，電流又降到零，D1和D3關(guān)斷.此后又是D2和D4導(dǎo)通，如此循環(huán)往復(fù)，以達(dá)到整流的目的.

電路通過對晶閘管導(dǎo)通角的控制，可以有效地控制電壓輸出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可變地調(diào)控電壓.本文對整流二極管的參數(shù)也進(jìn)行了仿真分析，其電壓和電流的波形如圖4和圖5所示.

圖4 整流二極管上的電壓波形

圖5 整流二極管上的電流波形

由圖4和圖5可知，為了使二極管能夠可靠運(yùn)行，其參數(shù)應(yīng)選擇200 A/1 000 V.

3 逆變電路

由于直流高壓電源輸出功率大，本文采用IGBT構(gòu)成的全橋逆變電路來實(shí)現(xiàn)直流向交流的逆變，其電路如圖6所示.

圖6 逆變電路示意

由圖6可知，電壓型全橋逆變電路共有4個(gè)橋臂，可以將其看成由兩個(gè)半橋電路組合而成.將橋臂Z1和Z4作為一對，橋臂Z2和Z3作為另一對，成對的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°.其輸出的波形為矩形波.其工作原理如下:當(dāng)IGBT中的Z2和Z3導(dǎo)通時(shí)，電路從a點(diǎn)開始，經(jīng)過 Z2，c點(diǎn)，負(fù)載R1，d 點(diǎn)，Z3，最后回到 b 點(diǎn)結(jié)束.此時(shí)，c點(diǎn)的電壓高于d點(diǎn)的電壓.當(dāng)IGBT中的Z1和Z4導(dǎo)通時(shí)，電路從 a點(diǎn)開始，經(jīng)過 Z1，d點(diǎn)，負(fù)載R1，c點(diǎn)，Z4，最后回到 b點(diǎn)結(jié)束.此時(shí)，d點(diǎn)的電壓高于c點(diǎn)的電壓.從上述過程可以看出，負(fù)載R1上得到的電壓波形為交流方波信號，即實(shí)現(xiàn)了從直流到交流的逆變過程.在此基礎(chǔ)上，本文對IGBT的參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，其電壓和電流的波形如圖7和圖8所示.

圖7 IGBT上的電壓波形

由圖7和圖8可知，應(yīng)用于本系統(tǒng)的IGBT的參數(shù)應(yīng)選擇為50 A/1 200 V.

圖8 IGBT上的電流波形

4 倍壓電路

根據(jù)倍壓電路結(jié)構(gòu)的不同，可分為半波倍壓電路、全波倍壓電路和3倍壓電路.本文采用半波倍壓電路來實(shí)現(xiàn)直流高壓的輸出.由于本文所設(shè)計(jì)的是高穩(wěn)定、低紋波系數(shù)的直流高壓電源，因此需要對倍壓電路的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì).半波倍壓電路的紋波系數(shù)計(jì)算公式為:

由式(1)可以看出，紋波系數(shù)的大小與電源的頻率、倍壓的級數(shù)、電容的容量和負(fù)載的大小有關(guān).因此，根據(jù)上述要求，本文設(shè)計(jì)了直流高壓電源倍壓電路，如圖9所示.

圖9 倍壓電路示意

由圖9可以看出，整個(gè)電路采用兩級倍壓，這是因?yàn)檩敵鲭妷旱募y波系數(shù)隨級數(shù)的增加而增加.此外，在倍壓電路的輸出端還添加了一個(gè)濾波電容，用于降低輸出電壓的紋波系數(shù).為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否能夠滿足要求，采用PSPICE軟件對電路進(jìn)行仿真.其參數(shù)為:電源電壓U=5 kV，f=20 kHz，C=0.2 μF，濾波電容C12=50 μF.仿真結(jié)果如圖10所示.

由圖10可以看出，電源的輸出電壓為20 kV，電流為0.5 A，紋波電壓約為1 V，滿足設(shè)計(jì)要求.

圖10 直流高壓發(fā)生器輸出電壓波形仿真示意

5 結(jié)論

(1)采用可控硅實(shí)現(xiàn)的整流橋，通過控制其導(dǎo)通角，可實(shí)現(xiàn)對輸出直流電壓的連續(xù)調(diào)節(jié);

(2)通過逆變技術(shù)，將工頻交流變成高頻交流，可使電源的紋波電壓大大降低，以穩(wěn)定輸出電壓.

(3)本文所采用的應(yīng)用AC-DC-AC-DC的方案是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定、低紋波系數(shù)的直流高壓電源的研制.

［1］周好斌，鐘桂香，王毅.靜電除塵器用智能高壓直流電源的研制［J］.高電壓技術(shù)，2005，31(5):61-63.

［2］李東倉，楊磊，袁龍.中頻供電高壓直流穩(wěn)壓電源［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2004(3):4-6.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:132-140.

［4］林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:170-176.

［5］戚棟，孫炳全.基于OrCAD Pspice的高壓電源設(shè)計(jì)與分析［J］.儀表技術(shù)，2004(2):54-55.