姜　靜,潘琳琳,李宏達(dá),車　龍,趙紅陽,尹　伯

(1.沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.清華大學(xué) 機(jī)械系，北京 100084)

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高壓開關(guān)電源開環(huán)與閉環(huán)特性比較

姜靜1,潘琳琳1,李宏達(dá)2,3,車龍2,趙紅陽2,尹伯1

(1.沈陽理工大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；2.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168；3.清華大學(xué) 機(jī)械系，北京 100084)

現(xiàn)研制出緊湊型重復(fù)頻率的高壓開關(guān)電源，該電源具有體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)指標(biāo)是在70 kΩ負(fù)載阻抗上上升沿600 ns，半脈寬1.5 μs，輸出瞬時(shí)電壓峰值30～210 kV可調(diào)且電壓正負(fù)可轉(zhuǎn)換。采用Matlab/Simulink軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證高壓開關(guān)電源開環(huán)性能指標(biāo)，針對(duì)開環(huán)輸出電壓難以保持穩(wěn)定，且難以使開關(guān)電極穩(wěn)定觸發(fā)的缺點(diǎn)，加入反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)并利用Pspice軟件仿真，可獲得穩(wěn)定輸出電壓154 kV，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間20 μs。通過對(duì)高壓開關(guān)電源開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果比較，可得加入反饋系統(tǒng)的高壓開關(guān)電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

高壓開關(guān)電源；開環(huán)；反饋系統(tǒng)；閉環(huán)；穩(wěn)壓

隨著高功率、長(zhǎng)壽命、高重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)開關(guān)電源的技術(shù)要求也越來越高，進(jìn)而推動(dòng)了開關(guān)技術(shù)的發(fā)展[1-3]。國(guó)外開關(guān)電源的發(fā)展起源于20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局為搭載火箭開發(fā)了第一個(gè)開關(guān)電源，該電源具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，從此開關(guān)電源的發(fā)展向小型化、模塊化等方向發(fā)展[4-6]。與國(guó)外發(fā)展情況相比，國(guó)內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)起步比較晚、技術(shù)相對(duì)落后，國(guó)外品牌占據(jù)了模塊電源市場(chǎng)很大一部分，我國(guó)從80 年代開始就對(duì)高頻高壓開關(guān)電源進(jìn)行整體研究，經(jīng)過近30多年的努力，目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，相關(guān)產(chǎn)品相繼問世[7-11]。本文研制出一臺(tái)緊湊型、重復(fù)頻率的高壓開關(guān)電源，該電源具有體積小、成本低、輸出電壓瞬時(shí)峰值較大等優(yōu)點(diǎn)，由于研制的高壓開關(guān)電源具有開環(huán)特性，不能滿足開關(guān)電極穩(wěn)定觸發(fā)要求，所以加入反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的，使得開關(guān)電極能夠穩(wěn)定觸發(fā)。

1　高壓開關(guān)電源開環(huán)系統(tǒng)

1.1高壓開關(guān)電源開環(huán)系統(tǒng)組成

高壓開關(guān)電源開環(huán)系統(tǒng)組成實(shí)物圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由6部分組成，分別是觸發(fā)脈沖電源控制部分、觸發(fā)脈沖電源信號(hào)形成部分、AC-DC電源部分、傳輸線部分、脈沖變壓器部分、負(fù)載部分。其中觸發(fā)脈沖電源信號(hào)形成部分由6個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成(5個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管并聯(lián)在電路中控制低壓輸出，一個(gè)串聯(lián)在電路中控制高壓輸出)，可大幅減少觸發(fā)時(shí)刻的漂移；傳輸線部分采用雙絞線結(jié)構(gòu)，用于傳輸脈沖變壓器的次級(jí)脈沖電壓到高壓輸出單元，抵御外界電磁波干擾；脈沖變壓器部分由磁開關(guān)和變壓器兩部分組成，其作用是將高壓脈沖電源產(chǎn)生電壓放大到所需要的高壓；負(fù)載部分實(shí)際上相當(dāng)于電容分壓器(由電容與電阻并聯(lián)在各自串聯(lián)得到)，分壓比為1∶100，目的是測(cè)試高壓開關(guān)電源開環(huán)輸出特性。

圖1　高壓開關(guān)電源系統(tǒng)實(shí)物圖

1.2高壓開關(guān)電源開環(huán)仿真

為了對(duì)上述高壓開關(guān)電源在開環(huán)情況下工作性能進(jìn)行研究，采用Matlab/Simulink軟件對(duì)其進(jìn)行建模，得到如圖2所示的高壓開關(guān)電源開環(huán)電路仿真模型圖。根據(jù)給出的高壓開關(guān)電源開環(huán)電路圖進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，得到如圖3所示給定正脈沖條件下的輸出電壓波形，從圖中當(dāng)可知，當(dāng)高壓開關(guān)電源仿真為8 μs時(shí)輸出電壓為84 kV，電壓上升沿為500 ns，半脈寬為2.4 μs。從而可知，高壓開關(guān)電源在開環(huán)情況下輸出電壓峰值30 ～210 kV可調(diào)且電壓正負(fù)可轉(zhuǎn)換，但輸出電壓穩(wěn)定性差，這樣不利于高壓開關(guān)電源對(duì)開關(guān)電極穩(wěn)定觸發(fā)。

圖2　高壓開關(guān)電源開環(huán)電路仿真模型圖

圖3　正脈沖條件下的輸出電壓波形

1.3高壓開關(guān)電源開環(huán)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證高壓開關(guān)電源開環(huán)仿真結(jié)果，現(xiàn)以罐體、數(shù)字示波器、高壓開關(guān)電源、傳輸線、變壓器等器件搭建高壓開關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)試實(shí)物連接圖，如圖4所示。將開關(guān)電極放入充有純SF6氣體的密封罐體內(nèi)，并將電極兩端與高壓開關(guān)電源正負(fù)極相連接，啟動(dòng)開關(guān)后高壓開關(guān)電源向電極充電，通過自耦變壓器改變輸入電壓大小進(jìn)而使得開關(guān)電極擊穿，從而得到瞬時(shí)輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。其中衰減器的衰減倍數(shù)為60 dB，從圖中可知高壓開關(guān)電源在給定負(fù)脈沖的情況下，仿真時(shí)間為4 μs時(shí)輸出瞬時(shí)電壓峰值為-100 kV，系統(tǒng)上升沿為560 ns，半脈寬為1.4 μs。雖實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本一致且與給定性能指標(biāo)相接近，但其輸出電壓在持續(xù)時(shí)間內(nèi)難以保持穩(wěn)定，這不利于高壓開關(guān)電源對(duì)電極穩(wěn)定觸發(fā)，還有待改善。

圖4　高壓開關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)試實(shí)物連接圖

圖5　瞬時(shí)輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形圖

2　高壓開關(guān)電源閉環(huán)系統(tǒng)

2.1高壓開關(guān)電源閉環(huán)系統(tǒng)組成

為彌補(bǔ)高壓開關(guān)電源開環(huán)系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，能使輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在某電壓值上，對(duì)研制的高壓開關(guān)電源增加反饋系統(tǒng)，從而達(dá)到穩(wěn)壓效果。反饋系統(tǒng)主要由兩大部分組成。

第一部分加入光電耦合器。一般的高壓開關(guān)電源反饋部分可直接使用輸出電壓分壓經(jīng)過PWM控制器來調(diào)節(jié)電壓，此種做法雖電路簡(jiǎn)單，但輸入電壓與輸出電壓共地，不僅容易發(fā)生危險(xiǎn)，而且電源在高速工作時(shí)容易產(chǎn)生電磁干擾，綜合各方面因素考慮此種方法不可行，因此在電源反饋部分加入光電耦合器。光電耦合器一般有線性和非線性兩種類別，在實(shí)際應(yīng)用中一般選用線性光電耦合器，因?yàn)榫€性光耦可傳輸電信號(hào)并隨其信號(hào)的變化而產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的光信號(hào)，從而達(dá)到隔離目的。

第二部分加入PWM控制器。PWM控制器是高壓開關(guān)電源閉環(huán)控制的核心，其能產(chǎn)生脈沖寬度可調(diào)且頻率固定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來控制MOSFET的通斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。PWM控制器有電壓型控制器和電流型控制器兩種，本文采用電流型控制器，其是在電壓型控制器的基礎(chǔ)之上加入電流環(huán)，當(dāng)誤差電壓信號(hào)輸入到PWM比較器后并不像電壓型控制器那樣與三角波進(jìn)行比較，而是與一個(gè)變化的三角波進(jìn)行比較，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。

2.2高壓開關(guān)電源閉環(huán)工作原理及仿真

加入反饋系統(tǒng)的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)如圖6所示。其工作原理為：首先將220 V、50 Hz交流電經(jīng)過自耦變壓器輸入到開關(guān)電源整流電路中，經(jīng)過整流濾波電路將其變成直流電壓輸入到電路中，通過MOSFET管的高頻通斷使其成為高頻方波電壓，再經(jīng)過高頻變壓器的升降壓得到輸出電壓，此時(shí)輸出電壓大約為600～800 V，最后經(jīng)由電容C2、磁開關(guān)S、高頻變壓器U3組成高壓輸出單元輸出所需的高壓電；由于某種原因使得輸出電壓降低，則分壓電阻R2上電壓也降低，流經(jīng)光電耦合器的電壓減小，則減小的誤差電壓信號(hào)流入PWM比較器與一個(gè)變化的、峰值代表電流電感峰值的三角波信號(hào)相比較，使占空比增大，從而增大電壓，起到調(diào)節(jié)輸出電壓作用，達(dá)到穩(wěn)壓效果。

圖6　加入反饋系統(tǒng)的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

為驗(yàn)證高壓開關(guān)電源加入反饋系統(tǒng)的穩(wěn)壓情況，采用Pspice仿真軟件對(duì)加入穩(wěn)壓系統(tǒng)的高壓開關(guān)電源進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。從圖中可知該高壓開關(guān)電源的上升沿為600 ns，仿真時(shí)間為25 μs，輸出電壓穩(wěn)定在154 kV，且穩(wěn)定時(shí)間為20 μs。從而可知，加入反饋系統(tǒng)的高壓開關(guān)電源相較于開環(huán)高壓開關(guān)電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

圖7　加入反饋系統(tǒng)的仿真波形圖

3　結(jié)束語

針對(duì)研制出的高壓開關(guān)電源開環(huán)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出研制出的高壓開關(guān)電源在負(fù)載阻抗恒定情況下，輸出瞬時(shí)電壓峰值在30～210 kV可調(diào)且電壓可正負(fù)轉(zhuǎn)換，觀察開環(huán)實(shí)驗(yàn)波形可得知在連續(xù)時(shí)間內(nèi)輸出電壓難以保持恒定；為滿足開關(guān)電極穩(wěn)定觸發(fā)特性的要求，對(duì)其加入反饋系統(tǒng)并進(jìn)行仿真，結(jié)果表明加入反饋系統(tǒng)的高壓開關(guān)電源具有良好的穩(wěn)壓特性。

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Comparison of Open Loop and Closed Loop Characteristics of the High Voltage Switching Power Supply

JIANG Jing1, PAN Linlin1, LI Hongda2,3, CHE Long2, ZHAO Hongyang2, YIN Bo1

(1.College of Automation and Electrical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 2.College of Equipment Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110168, China; 3.Mechanical Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

A small-size low-cost high voltage switching power supply is developed. An output voltage of 30～210 kV can be adjusted and converted at 70 kΩ and a half width of 1.5 μs. The performance index are verified by matlab/simulink simulation and experiments, and the Pspice simulation is also introduced in view of the difficulty in maintaining the stability of open loop output voltage and the switch electrode of the feedback loop system, thus offering a stable output voltage of 154 kV at a stable time of 20 μs. Computer simulation results show that the high voltage switching power supply with the feedback system has good voltage regulation characteristics.

high voltage switching power supply; open loop; feedback system; closed loop; voltage regulator

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.001

2015-11-19

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207096)；爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京理工)開放基金資助項(xiàng)目(KFJJ13-6M)

姜靜(1973-), 女，副教授。研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)的建模，優(yōu)化及仿真。

TN86

A

1007-7820(2016)08-001-03