新型高压直流电源及其电路分析

王德亢

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摘要：本文重点介绍了一种新型高压直流电源的电路结构和工作原理，该电源通过开关电源将高压直流电直接变换为稳定的低压直流电，利用高频变压器和高频开关管将高压直流电转换为低压直流电，利用大功率 MOSFET实现低压直流电与高压直流电之间的转换，并通过控制电路将低压直流电升压成高压直流电。该电源具有输入电压范围宽、输出电压高、输出电流大、转换效率高等特点，在一定范围内可以满足各种应用场合的要求。实验表明，该电源具有较高的转换效率，且电路结构简单，便于设计和使用。

关键词：高压；直流电源；电路分析

1 引言

高压直流电源是指输出电压超过500 kV的直流电源，它广泛应用于各个领域，如：国防军事、航天航空、石油化工、机械制造、医疗设备、家用电器等。传统的高压直流电源输出电压一般为500~1000 kV，输出电流为几十安至上百安，使用时需要大容量的储能元件，如蓄电池或其他储能器件。由于体积大和重量重，在某些场合会受到限制。为了满足低压直流电压和高输出电流的要求，国内外出现了许多高压直流电源的设计方案，如：采用变压器降压法或磁芯式变压器降压法实现高压直流电压转换；采用可控硅整流器实现高压直流电流转换；采用脉冲变压器实现高压直流电流转换等。由于各种方案中存在很多的局限性，本文提出了一种新型高压直流电源，它可以将输入电压范围宽、输出电压高、输出电流大的优点有机地结合起来，解决了传统高压直流电源存在的不足，是一种比较理想的高压直流电源。

2 新型高压直流电源及其电路分析

2.1 电源拓扑结构

新型高压直流电源采用三端稳压（TPS7101-T）电路结构，其中，电源的输入电压由整流器产生，整流器输出端连接到变换器输入端。电源的输出电压由滤波电容C、滤波电感L和滤波电容C构成。电路的负载电阻为零，电感为零。

对于多端稳压电路，电路中的储能元件可根据需要采用电阻、电感或电容。本文提出的新型高压直流电源拓扑结构中，采用了谐振式三端稳压电路结构。其中，整流器的输出端连接到直流母线上，整流器输出端的直流母线通过连接到负载的电容、电感L和滤波电容C构成；整流器的输入端连接到直流母线上，整流器输入端的直流母线通过连接到滤波电容C构成；在电源工作过程中，滤波电容C都存在电压输出，从而保证了电源的正常工作。

为了满足负载要求，将开关管VT1、VT2和VT3设置为不连续导通模式（DCM），并在输出电压低于输出功率时自动切换至全桥逆变模式（PFM）。

2.2 主电路工作原理

在本电源中，高压变压器T2的整流部分是通过辅助网络P1,P2,P3,P4构成的二次整流电路实现的，而输出是由降压变压器T2的二次侧通过辅助网络T1来实现。因此，整个电路有三个独立的输入电源：一个是变压器T1二次侧电压加至输出二次侧的电压；一个是变压器T2二次侧电压加至输出二次侧的电压；另一个是变压器T2二次侧电压加至辅助网络T1的二次侧的电压。本文采用的是高压变压器T2，其主要技术参数为：输出直流电压：0.5 kV；输出交流电压：1.1 kV；辅助网络T1二次侧输入电压：3.3V。

当输入电压加至变压器T2时，经过整流滤波电路的输出电压U2大于输入电压U1，此时二极管D2导通，实现了整流。此时，电压通过变压器T2二次侧加至二次侧的二极管D2两端，由于二极管D1、D2两端是工频电压，故在二极管D1两端产生一个尖峰电压。在经过整流滤波后，二极管D1两端的尖峰电压经过补偿网络后得到的电压U2与输入电压U1进行比较，如果U2>U1则由降压变压器T2的二次侧加至输出侧。

2.3 电压调节原理

对两路输出电压的调节，均通过一定的控制策略实现。

主电路中，两路输出电压经整流滤波后，由电容C1分压为两路，再经 LC滤波，得到两路输出电压。

（1）在负载 RL两端分别施加交流电压 Uo和 Uo，通过控制 PWM信号占空比的大小来实现对负载 RL两端电压的调节。若用电压互感器 LM作负载，则在一定范围内可通过调节 LM的占空比来控制负载 RL两端的电压。当负载 RL两端的电压 VL不变时，则可通过改变 PWM信号占空比来实现电压调节。

（2）当 Uo占空比大于20%时，由于两路输出电压中有一路超过了 Uo，将会导致电容C2放电。此时，电路中的储能电感L与负载 RL组成的电感L C将会产生自激振荡，通过调整 PWM信号占空比，使电路中的电容C2放电，从而调整电路中的储能电感L与负载 RL组成的电感L C，从而调节负载 RL两端的电压 Uo。

2.4 电路参数计算

开关管D1~D7的电压调节电路中，D、D5、D4和D2、D3组成的电压调节器是一个多电平（Multi-link）调节器。

调节电压的作用是调节输出电压，所以调节电路中的电阻R1、R2、R3和R4是基本元件。为了使D和D5产生的脉冲信号能稳定地进入输出端，使电路始终保持稳定状态，根据脉冲信号的波形要求，取R1=400Ω，R2=20Ω，R4=10Ω。

为了使电路能在很宽的电压范围内稳定运行，使输出电压稳定在设定值上，各元件参数应满足：

（1）在电源电压为100V，输出电压为3V时，电阻R1=400Ω，R2=20Ω，R3=10Ω。

（2）在电源电压为100V，输出电压为1V时，R4=200Ω。

（3）在电源电压为300V，输出电压为4V时，R1=200Ω；在电源电压为400V，输出电压为5V时，R2=100Ω；在电源电压为300V，输出电压为4V时，R3=10Ω。此外还需要计算R4的阻值。

（4）在电源电压为400V时，输出电压为1V时，电阻R1=200Ω；在电源电压为300V时，输出电压为3V时，电阻R1=100Ω；在电源电压为400V时，输出电压为4V时，电阻R2=100Ω；在电源电压为400V时，输出电压为5V时，电阻R3=10Ω。

2.5 仿真分析

本文基于 MATLAB软件对高压直流电源的各种工况进行了仿真分析，在给定电压为10 kV、负载电阻为5kΩ、负载为1 kA的条件下，新型高压直流电源的输出电压与输入电压成正比，峰值电压为25 kV，并且峰值电压比输入电压高出10 kV以上。同时，新型高压直流电源的输出电压与负载电阻成正比，峰值输出电压可达25 kV，比传统高压直流电源的输出功率大。

当负载电阻大于10kΩ时，输入电压经变压器降压后与原边串联的电感L、电容C组成滤波电路，滤波后的输入信号经过整流滤波电路整流后与输出端串联的电感L、电容C组成整流滤波电路。当负载电阻小于10kΩ时，输入电压经变压器降压后与原边串联的电感L、电容C组成滤波电路，滤波后的输入信号经整流滤波电路整流后与输出端串联的电感L、电容C组成整流滤波电路。在额定电压下，新型高压直流电源的输入电流为0，负载电流为1 kA；在额定电压下，新型高压直流电源的输出电压为25 kV，输出电流为0；在额定电压下，新型高压直流电源的输出功率为150W。

通过仿真分析，得到了新型高压直流电源电路中各元件的电压和电流波形、开关器件工作状态以及不同负载时输出功率随电压和电流变化情况。并且从仿真结果可以看出，在所述负载情况下，新型高压直流电源的输出电压、输出电流及输出功率随输入电压的变化曲线均是一条直线，并且新型高压直流电源的输入电压越高、负载电阻越大，新型高压直流电源的输出功率就越大。

3 结束语

总而言之，高压直流电源具有较宽的输入电压范围，输出电压高、输出电流大、转换效率高等特点，可以满足各种应用场合的要求，在一定范围内可以满足各种应用场合的要求。由于高压直流电源系统结构复杂、成本高、体积大，因而其在电力电子设备中的应用受到了很大限制，随着电力电子技术和半导体技术的发展，利用软开关技术提高高压直流电源系统性能，使高压直流电源系统的结构更加简单，成本更低，体积更小，效率更高，并能够满足多种场合的需要，从而实现高压直流电源系统在电力电子设备中的广泛应用，是今后电力电子技术发展和研究的主要方向。

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