高穩(wěn)定度高壓電源的研究與系統(tǒng)特性分析

楊婭姣， 董全林，黨玉杰， 牟洪山(.北京航空航天大學(xué)教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京009；.北京有色金屬研究總院，北京009)

高穩(wěn)定度高壓電源的研究與系統(tǒng)特性分析

楊婭姣1， 董全林1，黨玉杰1， 牟洪山2
(1.北京航空航天大學(xué)教育部微納測控與低維物理重點實驗室，北京100191；2.北京有色金屬研究總院，北京100191)

為提高200 kV級透射電子顯微鏡的性能，滿足其分辨率優(yōu)于0.25 nm的性能指標(biāo)，要求配備最高輸出電壓為200 kV、穩(wěn)定度優(yōu)于2×10－6/min的高穩(wěn)定度高壓電源。通過研究影響高壓電源穩(wěn)定度的直接因素，為高穩(wěn)定度高壓電源的研制提供了理論參考依據(jù)。分析了該款高壓電源主電路原理和設(shè)計要點。建立了電源閉環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了系統(tǒng)頻率特性，系統(tǒng)的良好增益裕度為電源的正常運行提供了保障。結(jié)合研制經(jīng)驗提出了改善高壓電源整機性能的措施。

高壓電源；高穩(wěn)定度；影響因素；穩(wěn)壓模型；頻率特性

高壓電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要研究內(nèi)容之一，由初期工頻經(jīng)歷中頻變壓機組，發(fā)展到目前25 kHz左右的全控型器件逆變供電，體積和質(zhì)量大幅降低，整機性能不斷提高，被廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡[1-2]、離子注入機[3]、電子束焊機[4]等靜電裝置中，如在電子顯微鏡領(lǐng)域，高壓電源為電子源發(fā)射的電子束提供加速電壓，決定電子速度的大小。由于電鏡中電磁透鏡只能對單一速度的電子理想聚焦、成像，要求輸出高壓具有較高的穩(wěn)定度，輔助透鏡電子源產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的單一波長電子束[2]，開展高穩(wěn)定度高壓電源的研究，對促進國內(nèi)帶電粒子裝備的發(fā)展具有重要意義。

高穩(wěn)定度高壓電源一般指穩(wěn)定度優(yōu)于10－4，其對電路結(jié)

本文研究了一款閉環(huán)負(fù)反饋高壓電源，采用逆變技術(shù)結(jié)合線性穩(wěn)壓原理實現(xiàn)了高壓、高穩(wěn)定度輸出?；谥麟娐吩恚M一步分析了閉環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)的頻率特性，研究結(jié)果和應(yīng)用設(shè)備的高性能運行表明這款高穩(wěn)定度高壓電源滿足高穩(wěn)定度、性能良好、安全可靠的技術(shù)要求。

1 高壓電源穩(wěn)定度影響因素分析

高壓電源輸出穩(wěn)定度SV指負(fù)載電流保持為額定范圍內(nèi)的任何值，輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)變化所引起的輸出電壓最大相對變化量[9]，即：

該款高壓電源由前置穩(wěn)壓電路、時鐘與脈沖分配電路、功率調(diào)整電路、基準(zhǔn)電壓源、主放大器、變壓器、平衡式倍壓整流電路、高壓紋波濾除電路和高壓取樣電路等部分組成。其主電路采用大閉環(huán)負(fù)反饋線性穩(wěn)壓電路，原理如圖1所示：電網(wǎng)電壓通過前置穩(wěn)壓電路降低電網(wǎng)波動對電源系統(tǒng)的影響，為高壓電源各部分電路提供直流電壓，其各支路輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)10－5。交流逆變發(fā)生采用獨立時鐘與脈沖分配電路，隔離工作頻率與供電電壓和負(fù)載大小之間的關(guān)系。逆變后電壓經(jīng)變壓器變壓、倍壓整流和濾波后輸出直流高壓。當(dāng)高壓輸出電壓Uo發(fā)生波動時，取樣電路中電流隨之發(fā)生變化，引起基準(zhǔn)電阻上電壓的波動，其波動反饋至主放大器輸入端，進行誤差比較、差動放大后，推動功率變換電路，從而調(diào)節(jié)輸出電壓產(chǎn)生反向變化，實現(xiàn)高壓電源的輸出穩(wěn)定。結(jié)合圖1所示，該款高壓電源采用調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓源Us控制高壓輸出Uo大小的方式，在系統(tǒng)的放大倍數(shù)足夠大且誤差放大器輸入阻抗足夠高的條件下，基準(zhǔn)電壓與輸出高壓的關(guān)系有：

式中：Rs為高壓電源的基準(zhǔn)電阻；R為高壓取樣電路的取樣電阻。

圖1　高穩(wěn)定度高壓電源主電路結(jié)構(gòu)簡圖

對式(2)進行變換，得：

對Uo取全微分，得：

對式(4)歸一化，得：

將式(2)關(guān)系代入式(5)，得：

式(6)表明，對于這款高穩(wěn)定度高壓電源，基準(zhǔn)電源、基準(zhǔn)電阻和取樣電阻的穩(wěn)定性是影響高壓電源輸出穩(wěn)定度的直接因素，其中基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定度設(shè)計至少優(yōu)于高壓電源一個數(shù)量級。

2 各模塊電路組成及原理

2.1基準(zhǔn)電壓源

基于上述對高壓電源穩(wěn)定度影響因素的理論分析結(jié)果，除選用精度高的基準(zhǔn)電阻和取樣電阻之外，對基準(zhǔn)電壓源的研究采用二級電壓放大的方式，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　基準(zhǔn)電壓源原理框圖

設(shè)計中高精度電壓基準(zhǔn)采用Toshiba公司的1SZ53，其溫度補償特性好，|gz|=0.002％/℃，齊納阻抗小、可靠性高，可滿足基準(zhǔn)電壓源設(shè)計的性能需求。第一級通過采用低電壓放大，對高精度電壓基準(zhǔn)進行電氣隔離，避免不同大小的高壓輸出時對1SZ53工作狀態(tài)的影響，同時降低第二級放大部分帶來低頻噪聲和漂移干擾。AD調(diào)節(jié)部分由12位精度的高性能集成芯片AD7541和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路組成，其輸出電壓經(jīng)第二級反饋放大后輸出0～70 V的基準(zhǔn)電壓。在基準(zhǔn)電壓源設(shè)計中應(yīng)用AD轉(zhuǎn)換技術(shù)即實現(xiàn)了高低壓隔離，保證了控制精度，又便于人機操作界面數(shù)字化控制高壓輸出，提高了電源系統(tǒng)的可靠性、安全性和易操作性。

2.2主放大器

主放大器設(shè)計包括誤差放大IC1和差分放大TR1-TR2兩部分，如圖3所示。

圖3　主放大器原理

誤差放大的主要作用為檢測高壓波動和提供系統(tǒng)相位補償。為降低流經(jīng)取樣電路的非負(fù)載電流，要求誤差放大器具有輸入阻抗高、輸入失調(diào)電流小、輸入電壓噪聲低等特點。設(shè)計中IC1選用集成JFET輸入和標(biāo)準(zhǔn)雙極性晶體管技術(shù)的LF356H，具有較高的增益-帶寬積、高共模抑制比、低噪聲和低漂移等優(yōu)點，有利于提高穩(wěn)壓系統(tǒng)的動態(tài)特性。

差分放大部分將誤差信號進一步放大，具體指IC1輸出端至TR2集電極輸出端。差分放大部分要求晶體管特性匹配，電路可通過設(shè)置R7-R9改善電路溫度特性，抑制零點漂移。在實際電路中，考慮到高壓放電、漏電等情況的發(fā)生，主放大器中設(shè)計了過壓熔斷和輸入、輸出保護等電路結(jié)構(gòu)。

2.3功率變換電路

功率變換電路由大功率晶體管TR3-TR4組成的復(fù)合調(diào)整管和晶體管TR5-TR7并聯(lián)擴流電路構(gòu)成，如圖4所示。

圖4　功率調(diào)整電路原理

為保持工作電流分配均勻，TR5-TR7的發(fā)射極串接R14-R15，實現(xiàn)均流放大的自反饋調(diào)節(jié)。

功率調(diào)整電路是電源系統(tǒng)的重要組成部分，其工作性能的穩(wěn)定直接影響整個系統(tǒng)的可靠運行。實際電路中將發(fā)熱量大的并聯(lián)擴流電路與復(fù)合調(diào)整管隔離，置于主插線板上，并配有面積較大的散熱器。

2.4高壓發(fā)生電路

高壓發(fā)生部分采用變壓器升壓與倍壓電路倍壓相結(jié)合的方式，變壓器初級線圈并聯(lián)、次級線圈串聯(lián)接入平衡式倍壓整流電路，如圖5所示。

圖5　高壓發(fā)生電路原理

與基本C-W電路比較，平衡式倍壓整流電路輸出紋波小、電壓穩(wěn)定度高；與對稱式C-W電路比較，減少了近1/3的高壓元器件，降低了倍壓整流電路的熱噪聲，大大減小了高壓發(fā)生器的體積和質(zhì)量。

2.5高壓紋波濾除和波動取樣電路

高壓紋波濾除電路和高壓波動取樣電路如圖6所示。

為使各個電容器承受相同的電壓，在濾波電容器上分別并聯(lián)大電阻R20-R31，實際電路中，同時設(shè)計了二極管導(dǎo)通回路，當(dāng)高壓超出正常范圍時，起到導(dǎo)通保護的作用。

圖6　高壓紋波濾除和取樣電路原理

結(jié)合高壓箱內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計，高壓波動取樣電路采用12級分壓電路相串聯(lián)的方式，R32-R79中每4個取樣電阻構(gòu)成一級分壓，形成高壓箱內(nèi)水平方向的等電位面，保證各分壓電阻附近電場的均勻分布，降低噪聲和過電壓的影響，有效防止放電現(xiàn)象的發(fā)生。通過與電阻并聯(lián)的C40-C87減小分布電容對高壓箱內(nèi)垂直方向上各級電壓均勻分布的影響，同時調(diào)整系統(tǒng)的頻率特性。

3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與特性分析

受環(huán)境變化、元器件老化和電網(wǎng)波動等因素影響，穩(wěn)壓系統(tǒng)的輸入和輸出不可避免地存在不確定性干擾和隨機噪聲。對于這款高增益電源電路，通過建立其穩(wěn)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進一步分析其系統(tǒng)的穩(wěn)定性及動態(tài)特性。

設(shè)G1(s)表示IC1同相輸入端至輸出端的傳遞關(guān)系，分析誤差放大器的電路連接方式，有：

設(shè)G2(s)表示差分放大部分的電壓傳遞關(guān)系，有：

差分放大部分TR2基極接誤差信號ub，TR3基極接地、集電極輸出uc，將這種單端輸入單端輸出方式等效為雙端差模輸入信號ub和共模輸入信號ub/2的疊加[10]，即：

式中：Ad為單端輸出時差分電路的差模放大倍數(shù)；Ac為單端輸出時差分電路的共模放大倍數(shù)。

根據(jù)輸出阻抗與輸入阻抗之間的關(guān)系，有：

在圖3差分放大部分中，Rb=0，Rc=R10，RL=∞，Re=R7+R9，故：

其中：

取工作溫度T=300 K，分析TR2和TR3的靜態(tài)工作點，得：

設(shè)G3(s)表示功率調(diào)整部分的電壓傳遞關(guān)系，有：

考慮到TR3-TR7工作于復(fù)合管射極輸出狀態(tài)，其輸入阻抗大，輸出阻抗小，具有電壓跟隨的特點，故?。?/p>

設(shè)G4(s)表示變壓倍壓部分的傳遞關(guān)系，當(dāng)平衡式倍壓整流電路空載且達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出時，將其視作線性輸出，有：

式中：B為升壓變壓器變壓比，取值為148；N為平衡式倍壓整流電路的倍壓級數(shù)，取值為12。

設(shè)G5(s)為紋波濾除電路的傳遞函數(shù)，由電阻R19和電容C28-C39之間的濾波關(guān)系得：

設(shè)F(s)為高壓取樣電路的傳遞函數(shù)，即整個閉環(huán)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，分析其負(fù)反饋原理有：

將各元器件參數(shù)代入，得到高壓電源主電路穩(wěn)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示。根據(jù)圖7，建立開環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型G(s)為：

圖7　高壓電源主電路穩(wěn)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

應(yīng)用Matlab軟件包，進行模型編譯，繪制系統(tǒng)幅頻特性曲線和相頻特性曲線，如圖8所示。

圖8　高壓電源開環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)Bode圖

分析圖8，這款高壓穩(wěn)壓電源的開環(huán)系統(tǒng)在幅頻增益大于零的頻率范圍內(nèi)，相頻增益曲線穿越－180°的次數(shù)為0。分析圖9，穩(wěn)壓系統(tǒng)的開環(huán)幅相曲線不包圍(－1，j0)點，系統(tǒng)在右半平面為開環(huán)極點。由Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)壓系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定。根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)Bode圖可知，開環(huán)系統(tǒng)相位裕度為88.9°，說明其具有良好的增益裕度，電路頻率補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計較為理想。系統(tǒng)帶寬約為53 kHz，其幅頻特性曲線在高頻段發(fā)生明顯衰減，可以有效抑制高頻噪聲，系統(tǒng)抗干擾能力較強。

4 改善高壓電源性能的若干措施

(1)應(yīng)用平衡式倍壓整流電路，電路對稱性好，高壓輸出紋波系數(shù)小，且使用元器件數(shù)量相對較少，可滿足高壓電源高穩(wěn)定度輸出、小型化發(fā)展的需求。

(2)采用屏蔽、間隙保護等結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少高穩(wěn)定度高壓電源漏電、放電打火等現(xiàn)象的發(fā)生；高壓絕緣部件選用聚酰亞胺絕緣材料，設(shè)計關(guān)鍵器件屏蔽罩，有效防止電暈現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)采用20 kHz逆變技術(shù)，提高電源供電效率，減小電源質(zhì)量和體積。

(4)設(shè)計圓形高壓箱，提高高壓發(fā)生器的耐高氣壓能力和絕緣性能；采用SF6氣體絕緣，增加元器件安裝密度，減小了設(shè)備體積且安全環(huán)保。

圖9　高壓電源開環(huán)穩(wěn)壓系統(tǒng)Nyquist圖

5 結(jié)論

本款200 kV高壓電源，其穩(wěn)定度達(dá)到2×10－6/min，通過分析影響其高壓穩(wěn)定度的因素，加強了基準(zhǔn)電壓源設(shè)計。通過建立穩(wěn)壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)的相位裕度為88.9°，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，且具有較強的抗干擾能力。目前，這款高穩(wěn)定度高壓電源已應(yīng)用于TDX-200F1透射電子顯微鏡，其高穩(wěn)定度輸出電壓滿足了透鏡的高分辨率需求，穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)性能為透鏡的正常運行提供了安全保障。

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Research on 200 kV high voltage power supply with high stability and analysis of system characteristics

YANG Ya-jiao1,DONG Quan-lin1,DANG Yu-jie1,MU Hong-shan2
(1.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics of the Ministry of Education,Beihang University,Beijing 100191, China;2.General Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100191,China)

To satisfy the performance requirement of 200kV transmission electron microscopy with the high resolution of 0.25 nm,a high voltage power supply whose maximum output voltage was 200 kV together with the high stability of 2×10－6/min was required.By researching on the factors that directly influence the stability of the high voltage power supply， some theoretical references were provided for the development of high-voltage power supply with high stability.Analysis of the design schematic and principles of main circuit and elements for the high voltage power supply was given.Establishing the mathematical model of the main circuit of the high power regulator system and providing frequency characteristic of the system,the better system gain margin provided a guarantee for normal operation of the power supply.Finally for the development of high-stability high voltage power supply,several measures were proposed to improve high voltage power performances.

high voltage power supply;high stability;affecting factors;mathematical model of the stabilizing system; frequency characteristics

TM 743

A

1002-087 X(2016)01-0157-05

2015-06-15

國家科技支撐計劃(2006BAK03A24)

楊婭姣(1989—)，女，河北省人，碩士研究生，主要研究方向為高穩(wěn)定高壓電源設(shè)計。構(gòu)、元器件性能、工藝制作及測試條件要求更高。文獻[4]中采用PID算法在閉環(huán)系統(tǒng)下實現(xiàn)了70 kV直流高壓電源自穩(wěn)定調(diào)節(jié)，其穩(wěn)定度達(dá)10－4/h。文獻[5]建立了基本C-W電路模型，結(jié)合實驗和仿真研究了其穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，分析了電路中各參數(shù)對電路特性的影響，為電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。文獻[6-7]分別應(yīng)用對稱式和正負(fù)雙向式倍壓整流電路，在不同程度上降低了高壓電源的輸出紋波。文獻[8]對一款高壓電源箱的氣體絕緣和充氣工藝進行了研究，提高了電源系統(tǒng)的可靠性。文獻[9]設(shè)計了一款高壓測試系統(tǒng)，為有效評估高壓電源的性能提供了保障。