專(zhuān)利名稱(chēng)：脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電源設(shè)備，更確切地說(shuō)是涉及一種直流高壓電源設(shè)備。
直流高壓發(fā)生器可用于對(duì)各種高壓電氣設(shè)備及電力電纜作直流耐壓和泄漏試驗(yàn)，也可用于其他需要直流高壓電源的場(chǎng)所，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電力基建單位和作為穩(wěn)壓型高壓直流電源使用。
脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器通常由直流電源及電壓調(diào)節(jié)電路，穩(wěn)壓電源及產(chǎn)生交變振蕩方波信號(hào)的振蕩電路，受振蕩電路輸出控制、實(shí)現(xiàn)直－交逆變的開(kāi)關(guān)放大電路，對(duì)開(kāi)關(guān)放大回路輸出的可變幅值高頻電壓經(jīng)升壓變壓器和倍壓整流電路變?yōu)楦邏褐绷鬏敵龅纳龎杭氨秹赫麟娐泛捅Ｗo(hù)信號(hào)電路組成。
該類(lèi)直流高壓發(fā)生器普遍存在的兩大問(wèn)題是笨重和噪聲干擾，由于工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的功率輸出級(jí)的工作頻率為音頻約4KHz，功率器件多采用大功率三極管，其推動(dòng)部分多采用振蕩變壓器，因此4KHz的工作頻率會(huì)產(chǎn)生很大的音頻聲，造成環(huán)境噪聲污染，不僅危及操作人員的身心健康，而且該頻率噪聲極易干擾正常的電暈聲和放電聲，使操作失誤；又由于采用大功率直流穩(wěn)壓電源，使設(shè)備的大部分重量都集中到穩(wěn)壓部件上，如大功率的工頻隔離電源變壓器及濾波器，大功率調(diào)整管所必需輔加的散熱器等。
由于電源的體積、重量與其工作頻率成反比下降，因此解決該類(lèi)直流高壓發(fā)生器小型化及噪聲干擾的有效途徑是提高功率轉(zhuǎn)換部分的工作頻率，解決中頻電源問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明工作頻率增至19KHz時(shí)，對(duì)98％的作業(yè)人員沒(méi)有影響。目前國(guó)內(nèi)這方面的技術(shù)現(xiàn)狀是有工作頻率為4KHz、0～60KV高壓、輸出電流為mA級(jí)的晶體管直流高壓試驗(yàn)器和工作頻率為10～20KHz、高壓輸出電流為μA級(jí)的靜電噴漆小型直流電源。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種工作頻率為超音頻(20KHz以上)的高壓輸出電流為mA級(jí)的小型化直流高壓發(fā)生器。
本實(shí)用新型直流高壓發(fā)生器的控制部分采用轉(zhuǎn)換效率高的超音頻脈寬調(diào)制型電路，高壓發(fā)生器部分采用由高頻陶瓷電容、高頻硅堆組成的倍壓整流電路，使操作環(huán)境無(wú)噪音設(shè)備體積、重量明顯改善成便攜式。
本實(shí)用新型的脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器，包括整流濾波電路，實(shí)現(xiàn)直－交逆變的功率轉(zhuǎn)換電路，升壓變壓器，倍壓整流電路，電壓、電流取樣電路，反饋電路，脈寬調(diào)制PWM轉(zhuǎn)換電路，電壓、電流顯示電路和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路，其特征在于1)所述的功率轉(zhuǎn)換電路是改進(jìn)的雙半橋電路，其中改進(jìn)的半橋電路是一發(fā)射極串接電感線圈的三極管和一集電極串接電感線圈的三極管以其電感線圈端連接的串聯(lián)電路與兩個(gè)串聯(lián)電解電容器并接，電容正極與三極管集電極并聯(lián)并接直流電源正端，電容負(fù)極與三極管發(fā)射極并聯(lián)并接直流電源負(fù)端；第一個(gè)改進(jìn)的半橋電路電感線圈的串接點(diǎn)與第二個(gè)改進(jìn)的半橋電路電容的串接點(diǎn)短接，第二個(gè)改進(jìn)的半橋電路電感線圈的串接點(diǎn)與第一個(gè)改進(jìn)的半橋電路電容的串接點(diǎn)間接升壓變壓器的初級(jí)繞組；2)所述改進(jìn)的雙半橋電路的四個(gè)三極管基極接脈寬調(diào)制PWM轉(zhuǎn)換電路；3)所述的升壓變壓器是中頻升壓變壓器。
下面結(jié)合實(shí)施例附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)。
附

圖1為脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器方框原理圖。
附圖2為圖1所示功率轉(zhuǎn)換電路原理圖。
附圖3為圖1所示PWM轉(zhuǎn)換電路原理圖。
參見(jiàn)附圖1，圖1所示的脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器，整流濾波電路11，實(shí)現(xiàn)直－交逆變的功率轉(zhuǎn)換電路12，中頻升壓變壓器13和倍壓整流電路14順序連接，其中功率轉(zhuǎn)換電路12和中頻升壓變壓器13作為直流高壓電源的輸入級(jí)，倍壓整流電路14輸出直流高壓，電壓、電流取樣電路16從倍壓整流電路14取樣分別送電壓、電流顯示電路18、反饋電路15和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路17，反饋電路15和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路17的輸出信號(hào)送PWM轉(zhuǎn)換電路19調(diào)整其多諧振蕩器的輸出脈沖寬度，PWM轉(zhuǎn)換電路19輸出脈寬調(diào)制波送功率轉(zhuǎn)換電路12控制功率轉(zhuǎn)換，功率轉(zhuǎn)換電路12是發(fā)生器的核心單元，起著承上起下的作用。
現(xiàn)有技術(shù)中一般采用典型的雙管推挽式電路、半橋電路或全橋電路作為功率轉(zhuǎn)換電路，推挽電路和全橋電路輸出功率大、輸出電壓高，但不具備抗不平衡能力，半橋電路雖有抗不平衡能力，但輸出功率較小，輸出電壓低，顯然這三種傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)都無(wú)助于實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的。
參見(jiàn)附圖2，本實(shí)用新型特別設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型雙半橋式(雙H型)功率轉(zhuǎn)換電路作為發(fā)生器開(kāi)關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換電路，具有抗不平衡性能，并以此為前提條件獲得最大的輸出峰峰值電壓，根據(jù)P＝VI而實(shí)現(xiàn)較大功率輸出。
圖中電源變壓器T、二極管D5－D8、D9－D12、電容C1、C2、C3、C4構(gòu)成整流濾波電路，為改進(jìn)型雙半橋功率轉(zhuǎn)換電路提供工作電源，三極管BG1～BG4，電容C1～C4、電感L1～L4構(gòu)成改進(jìn)型雙半橋電路，Tr為中頻升壓變壓器，14為倍壓整流電路。
BG1～BG4的基極受PWM轉(zhuǎn)換電路19控制交替導(dǎo)通截止。四只三極管BG1～BG4的基極饋入由PWM轉(zhuǎn)換電路推動(dòng)變壓器的四個(gè)次級(jí)繞組分別接入，同一半橋的兩只三極管基極饋入的繞組極性相反。當(dāng)連續(xù)的交變脈寬調(diào)制波信號(hào)饋入基極后，同一半橋路中的兩只三極管交替導(dǎo)通、截止，以開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作，從而實(shí)現(xiàn)直－交逆變，放大后的中頻交流信號(hào)經(jīng)中頻升壓變壓器輸出至倍壓整流電路14。
改進(jìn)型雙半橋電路的工作過(guò)程是當(dāng)控制BG1、BG3同時(shí)導(dǎo)通，BG2、BG4同時(shí)截止時(shí)，其電流回路是C3→BG3→L3→C1→BG1→L1→Tr初級(jí)繞組→C3；當(dāng)控制BG2、BG4同時(shí)導(dǎo)通，BG1、BG3同時(shí)截止時(shí)，其電流回路是C4→Tr初級(jí)繞組→L2→BG2→C2→L4→BG4→C4。如此交替循環(huán)地在中頻升壓變壓器Tr初級(jí)繞組上施加正反兩向電壓。在交替轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)二極管D1～D4的箝位作用泄放瞬間能量，以保護(hù)BG1～BG4，使施加在BG1～BG4上的反向電壓保持在一定范圍內(nèi)，不會(huì)被擊穿。
改進(jìn)型雙半橋電路可有效地克服不平衡問(wèn)題，由于電路設(shè)計(jì)保證了變壓器磁通始終工作在對(duì)稱(chēng)平衡狀態(tài)下，從而可降低磁通裕度B的設(shè)計(jì)余量，可提高變壓器的磁通利用率，使同樣體積的鐵芯可達(dá)到最大輸出功率。雙半橋電路可降低對(duì)功率器件一致性的要求，便于選用功率器件。因此雙半橋電路可在具有抗不平衡的性能前提條件下獲得較大的輸出峰峰值電壓，以最小的設(shè)備體積獲得最大的輸出功率，為實(shí)現(xiàn)20KHz以上的中頻升壓變壓器、高VP－P輸出創(chuàng)造了條件。
本實(shí)用新型的雙半橋功率轉(zhuǎn)換電路，中頻升壓變壓器Tr與電感L、電容C組成串聯(lián)諧振電路，因此為改進(jìn)的雙半橋電路，具有工作電流量最小、Tr上電壓最高的特點(diǎn)。實(shí)施時(shí)選擇變壓器電感與外加L相配合，使中頻升壓變壓器Tr上通過(guò)的電壓波形接近正弦波，保證功率器件工作在最佳狀態(tài)，減小無(wú)功損耗，最大限度地提供有功輸出，實(shí)現(xiàn)波形轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)PWM狀態(tài)下的寬幅調(diào)壓要求，為20KHz以上的高電壓大功率輸出提供了必要的條件。
參見(jiàn)附圖3，PWM轉(zhuǎn)換電路，采用PWM控制器TL494，是一種專(zhuān)為開(kāi)關(guān)電源提供控制信號(hào)的集成芯片，其內(nèi)部多諧振蕩器產(chǎn)生20KHz以上的交變振蕩，輸出的脈寬調(diào)制波信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器N2、N3加至推動(dòng)變壓器T1、T2的初級(jí)繞組，次級(jí)繞組輸出控制功率轉(zhuǎn)換雙半橋電路的四個(gè)晶體管兩兩交替開(kāi)關(guān)工作。PWM控制器N1的第一腳為輸入端接收反饋電路的輸出電壓，第16腳接入基準(zhǔn)電壓。
由于直流高壓發(fā)生器整機(jī)工作頻率的提高，使倍壓整流電路的體積大大縮小，經(jīng)選擇體積小、耐壓高的高頻陶瓷電容和高壓硅堆，這種無(wú)感電容器大大縮小了倍壓整流電路的整體損耗。
本實(shí)用新型高壓主體部分充填絕緣油和固體絕緣材料，為避免油的膨脹影響，又加裝了橡膠膨脹器。
上述種種技術(shù)措施使直流高壓發(fā)生器擴(kuò)大了應(yīng)用范圍并進(jìn)一步縮小了體積，還適于在流動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)作高壓試驗(yàn)使用。
本實(shí)用新型實(shí)施例超音頻開(kāi)關(guān)型高壓直流電源與4KHz的舊式電源相比，重量和體積均減了2／3，工作效率從40％提高到85％，超音頻區(qū)域工作噪聲明顯降低。
本實(shí)用新型的直流高壓發(fā)生器系列產(chǎn)品輸出電壓60KV～400KV，輸出電流1mA～5mA。
權(quán)利要求1.一種脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器，包括整流濾波電路，實(shí)現(xiàn)直-交逆變的功率轉(zhuǎn)換電路，升壓變壓器，倍壓整流電路，電壓、電流取樣電路，反饋電路，脈寬調(diào)制PWM轉(zhuǎn)換電路，電壓、電流顯示電路和過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)電路，其特征在于1)所述的功率轉(zhuǎn)換電路是改進(jìn)的雙半橋電路，其中改進(jìn)的半橋電路是一發(fā)射極串接電感線圈的三極管和一集電極串接電感線圈的三極管以其電感線圈端連接的串聯(lián)電路與兩個(gè)串聯(lián)電解電容器并接，電容正極與三極管集電極并聯(lián)并接直流電源正端，電容負(fù)極與三極管發(fā)射極并聯(lián)并接直流電源負(fù)端；第一個(gè)改進(jìn)的半橋電路電感線圈的串接點(diǎn)與第二個(gè)改進(jìn)的半橋電路電容的串接點(diǎn)短接，第二個(gè)改進(jìn)的半橋電路電感線圈的串接點(diǎn)與第一個(gè)改進(jìn)的半橋電路電容的串接點(diǎn)間接升壓變壓器的初級(jí)繞組；2)所述改進(jìn)的雙半橋電路的四個(gè)三極管基極接脈寬調(diào)制PWM轉(zhuǎn)換電路；3)所述的升壓變壓器是中頻升壓變壓器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈寬調(diào)制型直流高壓發(fā)生器，其特征在于所述的改進(jìn)的雙半橋電路中電感和三極管發(fā)射極串接點(diǎn)與電源負(fù)間接有箝位二極管，電感和三極管集電極串接點(diǎn)與電源正間接有箝位二極管。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種直流高壓電源設(shè)備，為解決設(shè)備笨重和音頻噪聲大的問(wèn)題而設(shè)計(jì)。設(shè)備控制部分采用超音頻(＞20kHz)脈寬調(diào)制型電路，高壓發(fā)生部分采用由高頻陶瓷電容、高壓硅堆組成的倍壓整流電路。以脈寬調(diào)制控制集成電路為核心件的PWM轉(zhuǎn)換單元產(chǎn)生超音頻調(diào)制波饋至特別設(shè)計(jì)的雙半橋功率轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)直-交逆變，經(jīng)中頻升壓變壓器升壓后送倍壓器輸出直流高壓。具有重量輕、體積小、效率高的特點(diǎn)，可在流動(dòng)場(chǎng)所使用。
文檔編號(hào)H02M3/24GK2162034SQ9321572
公開(kāi)日1994年4月13日 申請(qǐng)日期1993年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月14日
發(fā)明者陳奎興, 高文忠, 馬威, 李漢民, 孫大坤 申請(qǐng)人:北京市機(jī)電研究院高電壓技術(shù)公司