基于BUCK调压的小功率高压电源电路图

概述：
本文设计了一种可调的小功率高压电源，其主电路拓扑包括Buck模块、逆变电路、高频变压器和倍压电 路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压 升高，最后整流滤波输出稳定高压。
研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，控制电路的设计，并利用PSPICE软件进行相应各部分的仿真和参数优化。
本研究实现的主要性能是：给定输入电压是交流220V,要求输出电压在范围0~15KV内大范围可调，功率为15W,输出纹波要小于1%.

0 引言
高压电源一般是指输出电压在五千伏特以上的电源，一般高压电源的输出电压可达几万伏，甚至高达几十 万伏特或更高。高压电源广泛应用于材料改性，金属冶炼，环境保护，大功率激光和微波等应用领域。传统高压电源采用工频电源和LC谐振方式，虽然电路简单， 但其体积和重量大，低频工作状态以及纹波、稳定性均不能令人满意，随着电力电子的发展，高频高压电源成为发展的趋势。
随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的电源变换技术、新的控制理论及新的专业软件的不断涌现，并不断地被应用于开关电源，使得开关电源的性能不断提高，特点不断更新，出现了如频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。
20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命，即20Hz的开关频率结合脉宽调制技术（PWM）在电源领域的应用。到目前为止，电源的频率已经达到数百Hz,应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。
近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET,IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的高压线性直流电源。
伴随着高新技术的逐步应用，新的技术问题也随之出现，主要表现在高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点：
①高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出；
②大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件；
③高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。
鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。
研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，以及系统仿真研 究。该电路包括输入整流滤波电路、BUCK预稳压电路、半桥逆变电路、倍压电路和输出整流滤波电路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK 预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压升高，最后整流滤波输出稳定高压。

1 主电路设计
1）主电路的拓扑结构（图1）

这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关（ZCS），并能 方便的调节输出电压，因为利用了高频变压器的寄生参数，从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路，减小了 高频变压器的变比和寄生参数；尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略，即采用Buck可十分方便、灵活地进行电压调节；采用定频定宽 的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。
此外，由于该电源无需利用调节逆变电路的占空比来调节电压，因而可充分利用高频变压器的磁性；而且由于其控制电路采用了基于DSP的实时数字PI调解器，因而实现了电路的稳态和暂态特性。

（详细内容请阅读PDF文档）