燕山大学本科生毕业设计（论文）
得电源技术与现代计算机成果结合了起来，可达到更加理想的要求。
高压除尘也是这一领域的研究成果，国外在近十年已经开始高效节能中高频电除尘器的研制，上世纪九十年代末，国外瑞典ALSTOM等公司已经将高频开关电源（20-50kHZ）用电除尘器，取代目前国内仍在使用的工频电源（50HZ），丹麦史密斯公司的脉冲激能电除尘器也成功用于水泥厂废气和立磨废气的交货处理。与工频电源相比，高频开关电源体积小，重量轻，电损耗小。在产品量产化后，最终可以使其成本低于常规电源。最重要的是在处理高比电阻粉尘，提高电除尘效率等方面比常规电源性能更优越。总之在高压电源方面国内外都有着快速的发展，而且这个速度还将持续的进行下去。
开关高频化是一个必然趋势，高频可以使开关电源小型化，使得电源拥有更小的体积，提高了其适应性。另外高频还意味着节能，节约资源，在电源的小体积化过程中，就可以节约更多的金属资源。而且可以实现许多常规电源无法达到的电流脉冲指标。
电源工作时由于其工作原理的独特设计可以实现较高的功率因数以达到低能耗，有利于节约电能。随着各类电器的不断推出对电源有了更加苛刻的要求，但对电源的方向更加明确了，就是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
虽然高频高压电源有如此多的优点，但其成本高限制了其发展空间，特别是在国内，由于国内的需求量还没有达到可以批量生产的条件，因而造价仍然较高，急需在电路拓扑上作相应的研究以达到降低成本，节约能源的目的。因此本课题的研究具有非常大的实用价值和研究意义。
1.1.1 高频高压电源的国内外现状和发展
在国外，从70年代开始，日本的一些公司开始采用开关电源技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压；美国GE公司生产的AMx移动式X光机把蓄电池供给的直流电逆变成500Hz的中频方波送入高压发生器，从而减小体积和重量。进入80年代，高压开关电源技术迅速发展，德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高至
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第1章 绪论
20kHz以上；并将干式变压器技术成功地应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。近十年来，随着电力电子技术的进步和开关器件的发展，高压开关电源技术不断发展。突出的表现是频率在不断提高：如Philips公司30kW以下移动式X光机的X射线发生装置频率达30kHz以上，德国的霍夫曼公司高压发生器频率高达40kHz，98年以后通用电气公司和瓦里安公司都研制成功100kHz的x线机发生器。另外，高压开关电源的功率也在不断地提高，30kW的大功率高压开关电源技术在产品应用中已相当成熟，更高功率的高压开关电源也有很快的发展，如：用于雷达发射机的140kW高压开关电源(俄罗斯)；用于脉冲功率技术中的300kW大功率恒流充电电源等。中频电源技术的发展和电力电子器件、微处理器、控制理论等学科的发展紧密联系在一起。电力电子器件和控制技术的发展使得更高频成为可能，出现了各种软开关电源。微电子集成技术的发展为电力电子控制技术提供了新的思路，由最初的分立元件发展到集成电路、大规模集成电路再到后来的微处理器的出现，都为高频电源的控制技术带来了极大的便利。近年来，电力电子器件的研究和制造水平取得了突飞猛进的发展，出现了许多新型的电力电子器件和线路，电力电子器件正朝着场控化、高集成化、大容量化、高频化的方向发展。近年来，TI、MOTOROLA、ADI等公司相继推出了适用于开关电源使用的单片机或DSP芯片，且功能越来越完善，性能也越来越优越。
1955年美国罗耶(GH．Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技
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术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体(Mn．Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术己成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。
1.1.2 课题的意义
研究和开发高频高压开关电源，特别是成本较低的开关电源具有很强的实用意义，不但丰富了现在市场上开关电源的品种，而且符合节约能源，可持续发展的理念，对缓解现在正在面临的能源危机具有一定的积极作用。同时这个理念与科技发展势头也是未来能源经济的潜在能量，具有很大的商机。
1.1.3 本文的研究内容和研究方法
本文针对高频高压电源的实现为基础，以实现输出电压可调为目的对高频高压电源的主电路及控制电路进行了设计，使之输出稳定符合要求，调节方便快捷。并设计了简单的保护电路，初步保障了系统及设备的安全。
对于高压电源不同电压值的需要，本课题研究将给出一个连续可调的高压电路的电路拓扑，以适应高压电源的不同应用场合的不同需要。本文还将对调节界面进行一定的设计及监控，以达到良好的调节目的和简单快捷的调
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第1章 绪论
节方式。由于在高电压时须用倍压电路来实现，所以将对倍压电路中将要产生的现象和问题进行解决，并尽可能提高电源高压时的带载能力。由于电源主要工作在高压场合所以将对此时的电路安全及用电安全进行一定的设计。由于高压的特殊实现方法，对其产生的纹波问题将给予着重的研究和阐述，此外，对于负载变化时的电压稳定问题及稳压的实现也将着重分析研究。
本文的研究方法：在本文中选通过对高频高压电源的基本工作原理进行一定的分析，同时结合论文要求设计出符合要求的主电路，然后通过PSpice仿真软件对系统进性能仿真分析。并通过所得的波形对理论计算数据进行一定的校正，并设计出滤波，整流，保护等控制部分的电路。
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第2章 高频高压电源主电路各模块工作原理分析
2.1 高频高压电源主电路总体方案的设计
由于该设计系统输入为220V交流，输出为10-15kV大范围可调直流，并且对输出纹波做出了一定的要求，不难得出中间需设置高频环节，只有高频才能使输出达到理想的纹波要求。于是在系统中设置了DC-DC斩波电路，考虑到输出为小功率高压直流电压，所以前级的DC-DC变换功率亦不是很大，为使其中电感电流连续固采用了降压DC-DC变换电路（Buck变换器）。直流斩波前级为整流电路，此处选用单相桥式整流电路。后一级的升压环节不能采用直流升压（如单纯选用Boost升压电路，则占空比非常大，使得输出纹波很大，且过高的电压使得普通的开关难以承受），需逆变成交流矩形脉冲后再进行倍压升压。逆变选用半桥逆变电路，其与倍压电路之间还需设置变压器，一方面可以达到隔离目的，另一方面可以通过改变原副线圈的匝数比来调整输出电压值。
经简单分析可得出主电路的初步拓扑。电路框图如图2-1所示。
AC220
整流滤波BUCK调压半桥逆变变压器隔离CW倍压负载图2-1 主电路基本框图
2.2 主电路各模块原理分析及设计
2.2.1 整流及滤波电路分析设计
由于前一级的整流滤波环节采用的全桥整流电路结构比较简单，所以在这里对全桥整流电路就不多做介绍了。这里着重分析一下其滤波电路，为了获得更小的纹波，所以在该部分的输出也应该具有更小的纹波系数。这里本设计采用了??L形滤波电路。
在介绍??L形滤波电路之前需要我们熟悉一下以下两种滤波电路，一
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