提出一种新型的低纹波高压直流电源电路结构的设计方案

摘要：研究提出了一种新型的低纹波高压直流电源电路结构，该电源采用电压互补的工作原理，将两路独立输出电压相同、相位相差90°的半桥逆变电路并联后输出，使其输出电压并联互补，以达到减小直流输出电压脉动的目的。在介绍该电源工作原理和控制方式基础上，并依据该方案研制了一台小功率样机，结合实验波形，证实了该方案的可行性。

0 引言

高压直流电源已越来越广泛的应用于工业、医学、核物理、检测等领域。对于X 光机，粒子加速器，电子束焊机，电子束曝光机等一些应用场合，对电压的水平要求比较高，它们均要求低纹波电压。文章[5]对几种用于高压直流电源的电路拓扑结构分别进行了介绍，并对它们进行了比较，指出了各自的优缺点。

近年来，随着新的电力电子器件的应用使得高压直流电源出现了频率高，效率高，功率密度高，可靠性高等新特性。高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数，但也带来了新的技术问题。过高的频率会导致开关管开断频繁，开关损耗增大，影响开关管寿命并使整机效率下降。

鉴于以上问题，本文采用双路电源并联输出的方法得到低纹波直流。在开关管频率受限的今天，本方法可以在频率较低的情况下得到低纹波直流。

1 主回路工作原理

电源的系统框图及主回路原理图别如图1 和图2 所示。

图1 系统框图

图2 电源主回路原理图

主电路含有两套完全相同的半桥逆变电路，逆变开关元件选用IGBT.每一路均采用独立的三相全控整流桥供电，逆变电路采用PWM 方式，工作频率远高于谐振频率， 逆变后的电压波形为方波。 电路的功率调节通过控制全控整流桥的移相角来实现。IGBT 的触发脉冲参数：0 kHz~20 kHz、占空比45%,-5 V~+15 V,上下桥臂脉冲相差半个周期如图3 所示，两路半桥逆变电路的输出波形如图4 所示。将两路电压并联，即可得平直电压。

图3 IGBT 触发脉冲波形

可见，加大输出电容值也可以减少纹波，或者采用多个电容并联的方式减少ESR 值。

2 电压跟踪电路

由于采用两路输出并联来获得平直的直流电压， 设备正常工作的关键问题是两路并联电源的电压平衡问题，即要求两路输出的电压幅值时刻保持相同。为使两路输出保持一致，元器件参数应选取一致，还需要一套输出电压检测、比较及自动调节电路，实际设计的电路工作过程如图5 所示。

图5 电压跟踪电路结构框图

在检测电路中主要包含隔离和离散化两部分电路，隔离电路可以有效地抑制系统噪声， 消除接地回路的干扰。把检测到的输出电压离散化是为了解决当相近的模拟量直接比较时运放输出抖动的问题， 同时可以使后面的比较电路的反应速度调节方便。在离散化电路中具体由锯齿波来调制经过隔离的输出电压来实现。它将检测到的电压信号，转化为脉宽与其电压成正比的方波信号。

在具体应用中，应根据频率范围来设计合理的RC 滤波电路。滤波器的输出与其输入之比β 为：

3 实验结果

应用本方案试制了一套小功率系统，以此来验证电路的可行性。