夏德印 ， 張 賽

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和微波技術(shù)的廣泛應(yīng)用，小功率高壓直流電源的研發(fā)與應(yīng)用也得到了較廣泛的推廣，小功率高壓電源在高壓靜電除塵、行波管電源、速調(diào)管電源等系統(tǒng)中起著重要的作用[1]。

設(shè)計(jì)的小功率高壓模塊的主要功能：輸入220 V±15%交流電壓，輸出0 kV～5 kV高壓直流電壓，輸出電流能夠在0 μA～1 000 μA范圍內(nèi)根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)；輸出電流檢測范圍為0 μA～1 000 μA，2 μA～1 000 μA過流檢測且過流告警值可以任意設(shè)置；設(shè)備具備本控和遠(yuǎn)控操作功能；設(shè)有監(jiān)控單元，能夠監(jiān)測電源運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)，并通過PLC及通信模塊上報(bào)監(jiān)控信息；具備交流輸入過/欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、過載保護(hù)、過流告警等功能[2]，且具有快速保護(hù)、光纖通信、顯示功能，大大擴(kuò)展了其適應(yīng)性。

設(shè)計(jì)的電源模塊安全可靠性高，系統(tǒng)綜合采用了光纖通信、壓率變換、變壓器設(shè)計(jì)、倍壓整流、PLC編程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電氣的高低壓隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力及安全性，具有較強(qiáng)的抗磁場干擾能力。設(shè)計(jì)的電源具有電壓高、電流精度高、保護(hù)功能齊全等重要優(yōu)點(diǎn)[3]，且該產(chǎn)品具有體積小、重量輕、控制方便、便于安裝等特點(diǎn)，適用于微波發(fā)射、軍工、國防、通信、醫(yī)療、工業(yè)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，應(yīng)用極為廣泛。因此，本研究具有極為重要的參考價(jià)值及應(yīng)用推廣意義[4]。

1 研究背景

隨著電子技術(shù)發(fā)展的日新月異，新的電子器件、技術(shù)理論等也隨之涌現(xiàn)，這些新技術(shù)被不斷應(yīng)用于電源電路設(shè)計(jì)中，使得電源越來越先進(jìn)，具有高智能、高頻、高效、高可靠性、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)的電源是科技工作者研發(fā)與設(shè)計(jì)的必然趨勢。

微波技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了小功率高壓電源的發(fā)展，其在工業(yè)除塵、材料改性、環(huán)境保護(hù)、微波發(fā)射和激光武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的很多高壓電源仍然采用工頻電源等較傳統(tǒng)的技術(shù)，存在體積大、重量沉、紋波大、效率低、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)[5]。隨著科技的發(fā)展，社會對小功率高壓電源提出了具有小型化、智能化、經(jīng)濟(jì)性高、效率高等優(yōu)點(diǎn)的發(fā)展要求。

因此，本設(shè)計(jì)從小功率高壓電源的原理入手，采用光纖通信、電壓-頻率、倍壓整流、PLC編程等技術(shù)設(shè)計(jì)了一種小功率高電壓直流電源，它的設(shè)計(jì)組合方式區(qū)別于以往同類高、低電壓組合式電源的設(shè)計(jì)方式，體積變得更小、重量變得更輕[2]。

2 電路原理及功能

2.1 電路原理

設(shè)計(jì)的高壓直流電源模塊，主要由四個(gè)部分組成：輸入單元、控制單元、通信單元、高壓單元，如圖1所示。

圖1 電路原理

工作過程：輸入單相交流電源經(jīng)隔離、EMI濾波后，給輔助電源供電轉(zhuǎn)換成包括+5 V、+24 V、±12 V的電源，給裝置內(nèi)部各個(gè)單元供電；裝置以PLC控制器為核心，實(shí)現(xiàn)對模塊開關(guān)、輸出電壓設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視等，電壓采樣單元對電路輸出電壓進(jìn)行采樣并將采樣結(jié)果傳送給PLC，PLC通過設(shè)定調(diào)節(jié)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的閉環(huán)控制[6]，得到穩(wěn)定的輸出高壓。

2.2 原理功能

輸入單元：系統(tǒng)供電，EMI模塊進(jìn)行交流輸入的濾波，輔助電源模塊為控制單元、通信單元、高壓電源供電。

控制單元：具有控制系統(tǒng)運(yùn)行、參數(shù)采樣、系統(tǒng)保護(hù)、系統(tǒng)告警等功能，且具有過流故障信號通過光纖傳輸給控制單元功能?？赏ㄟ^其輸出電壓、自適應(yīng)的電流值監(jiān)視控制電源的運(yùn)行狀態(tài)。

通信單元：P L C控制器通過光纖通信模塊ADAM-4541，可實(shí)現(xiàn)與總控單元間參數(shù)的光纖傳輸。

高壓單元：利用推挽變壓器、倍壓整流電路技術(shù)，完成輸入低電壓到輸出高電壓的變換，實(shí)現(xiàn)高電壓的輸出與調(diào)節(jié)。

3 電路控制技術(shù)

3.1 電壓采樣技術(shù)

設(shè)計(jì)的電壓回饋電路中采用了光耦PC817的線性傳輸特性，其具有價(jià)格低、電路簡單、輸入電壓范圍較寬、測量精度好等優(yōu)點(diǎn)[7]，如圖2所示。

圖2 控制電壓測量電路

假設(shè)光耦PC817的傳輸特性公式：

其中，IP是光耦PC817的正向電流，VP是光耦PC817的導(dǎo)通壓降。

目標(biāo)傳輸特性公式：

電壓基準(zhǔn)芯片TL431的基準(zhǔn)電壓Vref：

令R6=R7=R8=R9，可知：

利用電阻R8和R11進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光耦PC817的特性傳輸方程是：

3.2 芯片AD654壓頻V/F電路技術(shù)

利用芯片AD654型V/F集成電路的特性原理，設(shè)計(jì)了一款信號調(diào)制的電路。芯片AD654是美國公司生產(chǎn)的一種低成本電壓頻率（V/F）變換器件，其輸出的頻率與輸入的電壓成正比例關(guān)系[8]，比例系數(shù)與外圍相關(guān)的電阻、電容參數(shù)有關(guān)，可用作信號發(fā)生源、信號解調(diào)和V/F變換等。它可以是單電源供電，也可是雙電源供電，且工作電壓范圍也比較寬。AD654芯片輸入電壓VIN與輸出頻率FOUT之間的轉(zhuǎn)換公式為：

在AD654芯片的使用過程中，外圍電路器件特性會嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換精度，如溫度特性、精度等會對轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生明顯的影響，故選取性能可靠、溫度特性好、材質(zhì)合適的外圍電阻及容器件等提高轉(zhuǎn)換精度。樣機(jī)測試結(jié)果表明，電路壓頻V/F轉(zhuǎn)換精度較好[9]，證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。電路設(shè)計(jì)將電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，并把輸出的頻率信號傳送給 PLC控制器，利用先前定義好的頻率/電壓對應(yīng)公式轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的壓/頻信號電路，可以將頻率信號通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，提高了信號的抗干擾能力及安全性。

3.3 倍壓整流電路設(shè)計(jì)

倍壓整流設(shè)計(jì)具有將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的功能，同時(shí)可以得到高出多倍的直流電壓（倍壓），在電路設(shè)計(jì)中采用倍壓整流設(shè)計(jì)可減小設(shè)計(jì)裝置的體積與重量。

高壓單元為減少倍壓整流短路單元的級數(shù)及提高電路工作的效率，將變壓器與倍壓整流電路相結(jié)合，先進(jìn)行變壓器升壓，然后利用倍壓整流電路原理調(diào)節(jié)出輸出的高壓，將輸入的低電壓轉(zhuǎn)變成高壓進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)了電路的高增益隔離升壓變換[9]。

3.3.1 倍壓電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓直流電源采用推挽逆變一級升壓，再進(jìn)行倍壓整流二級升壓的主拓?fù)?，若變壓器副邊輸出電壓為U，則采用4倍壓整流電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 高壓電源主電路

其中，DC+是輸入直流電源的正、DC-是輸入直流電源的負(fù)；Uo+是輸出高壓的正、Uo-是輸出高壓的負(fù)；E是輸入電壓儲能，具有穩(wěn)壓、濾波的作用；C1對輸入電源的高頻紋波進(jìn)行濾除；Q1、Q2是推挽逆變電路的開關(guān)，控制著變壓器T的導(dǎo)通與關(guān)斷。

3.3.2 倍壓電路工作原理

在倍壓電路工作原理分析過程中，假定電容的充電速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其放電速率、變壓器副邊的電壓是U。工作過程開始，在第一周期的正半周，副邊電壓U通過二極管D1給電容C2充電到U1=U，在第一周期的負(fù)半周U與C1上的電壓串聯(lián)在一起給電容C3充電。第二個(gè)周期的正半周，電壓U再給C1充電，此時(shí)二極管D1已導(dǎo)通，電容C4上暫無電壓，將通過二極管D1、D3向C4充電；第二個(gè)周期的負(fù)半周，變壓器副邊電壓U與電容C2在向電容C3充電的同時(shí)，電容C4也向暫無電壓的電容C5充電。因此，倍壓整流電路中的能量是從前級逐漸向后級傳遞的，設(shè)計(jì)的倍壓整流電路經(jīng)過兩個(gè)周期可將部分電量傳遞給電容C5。電路經(jīng)過多個(gè)工作周期后，除電容C2上的電壓是U1=U外，電路中其他電容均為U2=U3=U5=2U，C3、C5上電壓之和是4U，也就是電路負(fù)載R1上的電壓4U，即四倍壓整流電路[10]。

4 控制策略設(shè)計(jì)

4.1 控制原理設(shè)計(jì)

裝置工作時(shí)，輸出電壓參數(shù)通過PLC下發(fā)給控制板，控制板進(jìn)行信號變換后輸入到高壓模塊的輸入給定端，控制高壓模塊的輸出電壓值；高壓電源模塊工作時(shí)，實(shí)時(shí)采樣輸出電壓，并將采集的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，通過隔離后傳送給PLC，通過PLC對輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)整輸出電壓設(shè)置值，使電壓反饋和電壓設(shè)置趨向一致，偏差在設(shè)定允許的范圍內(nèi)[11]。

4.2 控制軟件設(shè)計(jì)

裝置的控制主要由上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）、PLC控制單元以及配套軟件組成，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)的要求以及電源系統(tǒng)所需要的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量，PLC選擇滿足條件的西門子系列S7-200控制器[12]。

4.3 控制流程圖

裝置通過軟件設(shè)定自校準(zhǔn)程序?qū)崿F(xiàn)輸出的穩(wěn)定，使得設(shè)計(jì)電源輸出電壓能夠按照設(shè)定電壓穩(wěn)定輸出，其控制流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

原理樣機(jī)具有電氣高低壓隔離、抗干擾能力強(qiáng)、操作便捷、安全可靠性高、穩(wěn)定性高、電流精度高、保護(hù)功能齊全等特點(diǎn)，樣機(jī)輸出結(jié)果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

6 結(jié)論

本文對設(shè)計(jì)樣機(jī)的電路拓?fù)?、工作原理、控制策略、控制方法和運(yùn)行特性等方面的研究與分析進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后完成了原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)。經(jīng)過對樣機(jī)進(jìn)行測試，證明了設(shè)計(jì)電源達(dá)到了要求，其具有可靠性高、損耗低、穩(wěn)定性好、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維護(hù)方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)證實(shí)了設(shè)計(jì)的小功率高壓電源硬件、軟件

控制策略和理論分析的科學(xué)性與可行性；設(shè)計(jì)的電力裝置是微波發(fā)射、工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域較為理想的小功率電源，具有較高的應(yīng)用及推廣價(jià)值。因此，本課題的研究為小功率高壓電源相關(guān)理論補(bǔ)充了有價(jià)值的參考資料，具有重要的研究意義。