本發(fā)明是設(shè)計電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一項新型的直流穩(wěn)壓電源，尤其涉及一種高壓直流電壓(正負1100V)穩(wěn)壓電源。

背景技術(shù)：

目前，直流穩(wěn)壓電源主要分為兩大類——線性電源、開關(guān)電源。其中線性電源雖然噪聲很低，但是其存在僅能實現(xiàn)降壓型穩(wěn)壓、難以實現(xiàn)電氣隔離、功率三極管耐壓要求高、高壓場合下功率管驅(qū)動困難等缺點，因此通常高于800V的電源不采用線性電源而使用開關(guān)電源。而開關(guān)電源中存在高頻的電路模態(tài)切換，不可避免的引入較大的高頻噪聲，并不適合高精度高穩(wěn)定度電源應(yīng)用場合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種高壓直流穩(wěn)壓電源，其特征在于：包括穩(wěn)壓電路和光耦控制電路，其中：所述穩(wěn)壓電路包括一功率三極管，光耦控制電路連接功率三極管的基極以驅(qū)動功率三極管T1。

進一步地，其特征在于：所述高壓直流穩(wěn)壓電源為正極性高壓直流穩(wěn)壓電源，所述功率三極管為NPN型三極管，電壓輸入端連接功率三極管的集電極，并通過第一電阻R1連接三極管的基極。

進一步地，其特征在于：所述高壓直流穩(wěn)壓電源為負極性高壓直流穩(wěn)壓電源，功率三極管為NPN型三極管，電壓輸出端連接功率三極管T1的集電極，并通過第一電阻R1連接三極管的基極。

進一步地，其特征在于：光耦控制電路包括分壓電路、比較電路、發(fā)光管、接收管和第二三極管，分壓電路取出的電壓連接比較電路后輸出到發(fā)光管，接收管連接在功率三極管基極和第二三極管基極之間，同時，功率三極管的基極還連接第二三極管的集電極。

進一步地，其特征在于：功率三極管的輸出端還連接有供壓電路，所述供壓電路與第二三極管并聯(lián)，用于給第二三極管提供電壓，所述供壓電路為串聯(lián)的二極管或穩(wěn)壓管。

進一步地，其特征在于：所述電壓輸入端和輸出端還連接有穩(wěn)壓電容。

進一步地，其特征在于：還包括前饋補償電路，其包括在功率三極管和供壓電路旁并聯(lián)一個N溝道增強型場效應(yīng)管，場效應(yīng)管的柵極通過第三電阻接在輸入電壓的某一分壓點上，兩個穩(wěn)壓管Dz+與Dz-以反向并聯(lián)的方式接在場效應(yīng)管T2柵極和源極之間。

進一步地，其特征在于：所述某一分壓點保證在電路啟動到基本穩(wěn)定的過程中，三極管兩端電壓保持在其能承受合理電壓之下。

進一步地，其特征在于：當(dāng)輸出電壓Vout由于某些原因而低于預(yù)設(shè)值，則分壓電阻R_f2上的電壓降低，進而導(dǎo)致I_f減小，并使得光耦U1的正向電流Ioc減小，電源主回路的光耦導(dǎo)通減小，從而經(jīng)三極管放大的電流Ib增大，流過負載的電流也增大，此時Vout也增大；同理，當(dāng)Vout由于某種原因高于預(yù)設(shè)值時，反饋回路也能夠?qū)out降低。

本發(fā)明方案過控制光耦電流直接驅(qū)動功率三極管的方式，解決了高壓場合下難以兼顧驅(qū)動三極管和實現(xiàn)高低壓電氣隔離的難題；通過并聯(lián)一個增強型場效應(yīng)管實現(xiàn)前饋補償，減小電路的響應(yīng)時間，在電路啟動時保護功率三極管；在不改變所使用的功率三極管的極性的前提下，采取對換三極管集電極與發(fā)射極的方式實現(xiàn)負極性穩(wěn)壓。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1正電源電路圖。

圖2是本發(fā)明實施例1負電源電路圖。

圖3是本發(fā)明實施例1電源啟動過程的等效電路。

圖4是本發(fā)明實施例1電路圖的等效變換圖；

圖5是本發(fā)明實施例1電路圖的第二等效變換圖；

圖6是本發(fā)明本發(fā)明實施例2電路圖。

圖7是本發(fā)明三極管的電壓應(yīng)力圖。

具體實施方式

參見圖1，示出了本發(fā)明實施例1的穩(wěn)壓電源電路的基本原理，其中電壓輸入端V_in和輸出端V_out分別通過電容C₁、C₂接地，輸入端V_in連接功率三極管T₁的集電極，三極管T₁的發(fā)射極串聯(lián)4個二極管D1，D2，D3，D4后連接輸出端V_out，輸入端V_in連接第一電阻R₁后分為兩路，一路連接三極管T₁的基極，另一路連接光耦U₁的集電極，光耦U₁的發(fā)射極連接在兩分壓電阻R_f1和R_f2之間(分壓電阻阻值極大，理論分析時可以流過的電流可以忽略)。分壓電阻兩端分別接輸出端V_out和地。四個二極管的目的是在電路工作時與四個二極管并聯(lián)的光耦兩端能夠有一個2V左右的供電電壓,電路的結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)是最簡,但是其中4個二極管可以用一個1.8V穩(wěn)壓管替代,電阻R1可以用MOSFET組成的恒流源替代。

采用功率三極管作為線性穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)整元件，通過控制光耦的導(dǎo)通電流實現(xiàn)對三極管的基極電流的調(diào)整，經(jīng)三極管放大后為后級負載提供電流。最后將輸出電壓Vout反饋到對光耦導(dǎo)通電流的控制，完成閉環(huán)，實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出。在電路啟動后電流從Vin經(jīng)過電阻R1、三極管T1、光耦U1、二極管D1-D4流到Vout，此時光耦兩端的電壓由串聯(lián)二極管決定；待電路穩(wěn)定后，各元件的電氣量穩(wěn)定，如果輸出電壓Vout由于某些原因而低于預(yù)設(shè)值，則分壓電阻R_f2上的電壓降低，進而導(dǎo)致I_f減小，并使得光耦U1的正向電流Ioc減小，電源主回路的光耦導(dǎo)通減小，從而經(jīng)三極管放大的電流Ib增大，流過負載的電流也增大，此時Vout也增大；同理，當(dāng)Vout由于某種原因高于預(yù)設(shè)值時，反饋回路也能夠?qū)out降低。

其中，三極管T₁工作在放大區(qū)時，基極與發(fā)射極之間的電壓差為U_be；四個二極管D1，D2，D3，D4整體的導(dǎo)通壓降為U_D(四個二極管用于給光耦U₁提供穩(wěn)定的供電電壓，其值與光耦工作電壓相關(guān)，在本實施例中可以是2V左右。當(dāng)然，可以采用穩(wěn)壓管代替二極管。)；光耦U₁的發(fā)射管電流與接受管電流滿足I_oc＝CTR*I_f；其中發(fā)光管的電流和接收管的電流比的比值。

電路達到穩(wěn)態(tài)時，電容C₁C₂兩端電壓穩(wěn)定，沒有漏電流。

則有以下關(guān)系

I_b＝I₁-I_oc (2)

I_e＝(1+β)I_b (3)

I_L＝I_e+I_oc (4)

式中，I₁表示流過第一電阻R₁的電流；

I_b表示三極管T1基極電流；

I_oc表示接收管電流；

I_f表示發(fā)射管電流；

I_e表示流經(jīng)二極管D1，D2，D3，D4電流；

I_L表示流經(jīng)負載電阻的電流：

β表示三極管放大倍數(shù)；

R_L表示負載電阻的阻值；

將式(2)、(3)帶入(4)中，得

I_L＝(1+β)I₁-βI_oc (6)

再將式(1)、(5)帶入式(6)，得：

整理后得：

記R₁與R₂的并聯(lián)電阻為R₁//R₂，ΔU＝U_D+U_be。則上式簡化為：

寫成輸入關(guān)于輸出的函數(shù)關(guān)系為：

從式(7)中可以看出，在輸入電壓給定的情況下，本發(fā)明方案能達到的輸出電壓范圍由光耦的導(dǎo)通電流決定。

其中，當(dāng)光耦截止時，光耦的導(dǎo)通電流為0；當(dāng)光耦達到飽和狀態(tài)，即I_oc＝I₁時，光耦導(dǎo)通電流電流最大。即：

在本發(fā)明系統(tǒng)中，示例性地，所使用的元件的參數(shù)為：

R₁＝200KΩ

R_L＝500KΩ

β＝28

代入式(8)得：

V_in＝193.1*I_oc+1118.6

帶入式(9)中的關(guān)系，求得：

1118.6＜V_in＜1541 (10)

通過1100V工頻變壓器整流濾波后得到的直流電壓大致為1400V，偏差范圍約為±200V，足以滿足式(10)的要求。

圖2示出了本發(fā)明負電源方案的示意圖，通常線性電源的負電源采取的方法是將正電源中的功率三極管由NPN型改為PNP型，但PNP型三極管特性較NPN型三極管差，尤其是電壓應(yīng)力的承受值與放大倍數(shù)。本發(fā)明的負電源方案創(chuàng)新地從另一個角度出發(fā)，在上述正電源的基礎(chǔ)上，對電路進行一系列的等效，最后得出了一種使用NPN型三極管作為負電源的方案。

圖3的結(jié)構(gòu)是從圖1等效變換過來的，具體而言，由于在正電源系統(tǒng)中，本質(zhì)在于通過控制光耦的導(dǎo)通電流來控制輸入與輸出之間的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R，在合理的控制方法下實現(xiàn)恒定電壓輸出。所以該二端口網(wǎng)絡(luò)可以與負載交換位置，如圖4所示。負載兩端的電壓可控的唯一條件Vin>VGND，所以令輸入電壓Vin＝0V，VGND＝-1400V，此電路依舊可以工作，如圖5所示。隨后將電路僅僅作上下翻轉(zhuǎn)，用分壓電阻替代Rl其他而不做修改，即可以得到圖3所示的負電源電路。

實施例2：

實施例1中的電路結(jié)構(gòu)對功率三極管耐壓能力要求較高。在電源穩(wěn)定后三極管集電極與發(fā)射極之間的電壓便限制在一個較低范圍內(nèi)，通常功率三極管的損壞不發(fā)生在電路穩(wěn)定后而在電路啟動后建立穩(wěn)態(tài)的過程中。

在電源系統(tǒng)剛剛啟動的過程中，輸出級為輸出端的濾波電容充電，這個過程三極管兩端的電壓和流過三極管的電流急劇增大，這個過程的極大瞬時功率是損壞三極管的根本原因。

電源啟動的同時，輸出電壓遠低于預(yù)期的電壓值(1.1kV)，反饋回路沒有工作，光耦的導(dǎo)通電流為0，此時的電源系統(tǒng)的等效電路如圖2所示，圖中R為三極管和光耦組成的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻，R_L為負載電阻，C電源輸出端的濾波電容。由三極管的性質(zhì)可知，該二端口網(wǎng)絡(luò)的電壓降約等于R1兩端的電壓，而流過該網(wǎng)絡(luò)的電流是流過R1的電流的(1+β)倍(二極管壓降相對于1000V以上電壓可以忽略)，所以有：

R＝R₁/(1+β)

此時輸入電壓到輸出電壓的傳遞函數(shù)為：

化簡得：

輸入電壓是通過對50Hz交流整流濾波后得到的，可以用一個時間常數(shù)為τ＝0.04s的一階慣性環(huán)節(jié)等效。

在輸入電壓為V_in(t)＝V_IN*1(t)時，三極管的集電極與發(fā)射極之間的電壓，也即是R兩端的電壓為：

記τ₁＝C(R_L//R),τ₀＝RC,k＝τ₁/τ₀。

則：

作反laplace變換得：

其中k滿足，

由式(10)可知，在電源負載R_L保持不變的前提下，若要降低啟動過程中三極管CE之間的電壓，必須增大k，減小τ₁的值，即減小R和C。但是實際上為了獲得噪聲更低的輸出電壓，需要電容值C很大，等效電阻R取太小會使得電源的帶載能力極大地受限制，同時也會降低反饋回路的增益，減小系統(tǒng)對噪聲的抑制能力。

以上分析表明，為了防止功率三極管在電源啟動過程中損毀，單純通過減小R₁和C會給本電源系統(tǒng)帶來一系列不利后果，為此本發(fā)明實施例2中，采用圖6所示的電路實現(xiàn)電路啟動后通過前饋支路對濾波電容充電，到接近電路穩(wěn)態(tài)后再斷開前饋支路。具體而言，電路結(jié)構(gòu)為在原電路的三極管和二極管旁并聯(lián)一個N溝道增強型場效應(yīng)管T2，場效應(yīng)管的柵極通過電阻Rg接在輸入電壓的某一分壓點上(當(dāng)電源基本穩(wěn)定時，該分壓點電壓為場效應(yīng)管T2的柵極閾值電壓，大于該閾值電壓場效應(yīng)管關(guān)斷)，最后使用兩個穩(wěn)壓管Dz+與Dz-以反向并聯(lián)的方式接在柵極和源極之間。

當(dāng)電源系統(tǒng)啟動的瞬間，V_in從0V開始緩慢上升，此過程中，分壓點電壓高于輸出電壓(S極電壓)即兩者之差為正，場效應(yīng)管T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入與輸出之間的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R滿足

其中，Ron是場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻。通過取較小的R_t便可以使得R≤1KΩ＜＜R_L(注意R_t不能取太小，否則MOSET的最大過電流過高會損壞MOSFET)，此時輸出級的濾波電容可以取到40uF，保證τ₀＝RC≤0.04s，用MALTAB計算此時的三極管的電壓應(yīng)力如圖7所示(其為鉗位穩(wěn)壓管取10V，輸入電壓為1200V時，輸出1100V時的實例2電路的關(guān)鍵變量變化曲線)，圖中實線V_g與虛線V_O分別表示場效應(yīng)管柵極電壓和輸出電壓隨時間的變化關(guān)系，由于對柵源兩極之間的使用穩(wěn)壓管做電壓保護，實際啟動過程柵極與源極之間的控制電壓的絕對值低于20V。當(dāng)?shù)揭欢〞r間后，(從圖中可以讀出，電源啟動后的0.09s后)，分壓點電壓低于輸出電壓(S極電壓)，此時兩者之差為負，場效應(yīng)管關(guān)斷，輸出電壓已經(jīng)達到950V，整個過程功率三極管兩端的電壓被限制在520V以下。

綜上所述，系統(tǒng)上電后，增強型N溝道場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸入電壓通過場效應(yīng)管對輸出電容充電，當(dāng)輸出電壓達到950V左右時，場效應(yīng)管的柵源電壓達到場效應(yīng)管的截止電壓，電路切換到通過三極管對后級電容充電，直到輸出電壓達到1100V，反饋回路開始工作。整個過程建立穩(wěn)態(tài)的時間約為0.15s-0.2s，三極管的電壓應(yīng)力控制在520V以下。

其中，輸入端分壓電路為多個電阻串聯(lián)，在每一電阻上并聯(lián)一電容。以電容耐壓值450V為例，則需要使用4組電阻、電容串聯(lián)，如圖所示，將第三個串聯(lián)電阻的電壓加載到所使用的耗盡型N溝道場效應(yīng)管的柵極。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語僅僅是為了方便說明，并不對本發(fā)明構(gòu)成任何限制。