【倍压整流】直流特种高压电源的设计与仿真

宗政绮梦

高压电源的应用领域举例

高压电源的应用非常广泛，在民用、军事、科研的很多领域都有不可替代的作用。
●民用领域：臭氧发生器、某些医疗设备、静电除尘、空气净化装置等
●军事：雷达、激光等
●科研：加速器、电子显微镜、人工核反应等

高压电源的设计难点

●半导体器件，尤其是高压整流二极管的要求很高。
●绝缘材料要求很高，特别是高压变压器的骨架材料要承受交流高压的冲击。
●分布参数，高压电源中存在的分布参数对电源的工作产生重大影响，使电源的高频化困难，甚至会使电路无法正常工作。

直流高压电源的设计

变压器等效模型
变压器的等效模型（1）

变压器的等效模型（2）
简化后的等效模型：

倍压整流电路
倍压整流电路一

倍压整流电路二

倍压整流电路三

倍压整流电路计算公式
对于电路一：
电压跌落：ΔU=(4N3+3N2+2N)I/6fC
输出电压：U=2N*Up-ΔU
输出电压纹波：N(N+1)I/4fC
对于电路三：
电压跌落：ΔU=(2N3+3N2+4N)I/12fC
输出电压：U=2N*Up-ΔU
输出电压纹波：N*I/4fC
其中，N是倍压的阶数
工作原理简述
60KV/8mA电源电路原理框图

高压发生部分电路

倍压整流部分作如下转换

高压发生部分电路变换为如下

一种串联谐振并联负载的谐振变换器
如果Cs的容量和Cp相当，则成为一种LCC谐振变换器。
在此处，我们采用了Cs容量远大于Cp的方案，所以这是一种串联谐振并联负载的LC谐振变换器PLSRC。
注意，和传统的PLSRC存在一些不同，此电路的整流输出没有电感。而采用的是容性滤波器。
工作原理简述（1）

t1时刻

工作原理简述（2）

t2时刻

工作原理简述（3）

t3时刻

工作原理简述（4）

t4时刻

工作原理简述（5）

t5时刻

工作原理简述（6）

t6时刻

仿真、观察波形
高压发生电路仿真

输出电压波形

MOS管的工作波形

谐振回路的电流波形

倍压整流中二极管的电流波形

谐振电流的分配

本电路的优缺点
本电路成功地利用了变压器分布电容和漏感作为谐振元件，实现了ZVS软开关的高频高压变换。
由于变压器分布电容的充放电，变压器存在较大的环流，特别是轻载时的转换效率不高。