一种输出正负极性可设置±5KV高频直流高压发生器的制作方法

本发明涉及一种输出正负极性可设置±5KV高频直流高压发生器（最大输出电流5MA），可应用于工业生产自动化、智能制造和机器人领域。

背景技术：

自从上个世纪70年代开关电源出现以来，在各种应用场合以其优越的综合性能逐渐取代了原先占主导地位的线性电源。 特别是近些年，伴随着大功率器件如场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管的高速发展，得到越来越多的广泛应用，并逐渐成为家用电器、医疗设备，特别是工业装备的主要电源供应器。尤其在当前工业4.0和智能机器人领域中，它的应用面之广，应用数量之多是其他电力能源供给设备所无法比拟的。同时，这些领域也反过来对其应用的开关电源提出越来越多的高性能的特殊要求。是否能够满足这些各种特殊要求直接影响到生产加工系统或机器人的智能化和高效化。其中开关电源输出电压极性可根据控制系统上位机指令和实际工况随时转换就是一项非常具有实际意义的要求。

由于开关电源输出电压极性自动转换在实际生产过程中的需求，特别是在特殊工业场合要求的±5KV高压直流输出电压。很多种方法被提出加以采用，用于制作±5KV直流输出电压的直流高压发生器，同时可以实现输出电压极性的转换。目前，几乎大多数都采用双直流高压发生器方案，即是基于一台+5KV线性或开关式直流高压发生器和一台-5KV线性或开关式直流高压发生器，然后利用高压开关来实现±5KV直流输出高压。由于目前方案主要采用的是两台直流高压发生器，尽管容易实现，但是体积大、成本高，而且直流高压发生器基于线性工作方式，效率低、需要大体积的散热片。近年来由于高压开关电源的迅速发展和广泛应用，已经出现较多使用高压低频开关工作方式取代线性工作方式的方法，取得了一定的进步。但是该方案还是有明显的不足之处：如开关工作频率低，功耗较大。由于还是采用双直流高压发生器方案，体积仍然较大，而且成本高，另外，输出极性转换处理技术延用之前方案，操作不灵活，与智能自动化控制系统对接困难。

技术实现要素：

为解决现有技术方案存在的上述问题，本发明提出了基于高频直流高压发生器的1+1/N集成系统技术思路，设计了一种输出正负极性可设置±5KV高频直流高压发生器。可以大幅度降低体积，提高工作效率，同时具有极其灵活的极性设置功能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种输出正负极性可设置±5KV高频直流高压发生器如附图所示由电源机壳和电路两大部分组成，其中电源电路部分包括功率变换电路、倍压整流、输出极性转换开关、可设置输出正负极性和控制电路等部分组成。

所述的电源机壳部分包括底壳1、中间层隔板8、上盖7、底层散热片10、保险丝盒11、接地螺钉和安全接地蝶形螺母13，上电指示LED绿灯2和高压输出指示LED红灯3。

所述机壳底壳1分别与中间层隔板8和上盖7采用螺钉连接固定，控制电路板6通过螺钉连接固定在中间层隔板8，功率电路板4通过螺钉连接固定在底壳1底面，功率电路板4和输出极性转换开关电路板9通过堆叠和嵌入焊接连接固定在一起，底壳1起到总体的支承作用。所述底层散热片110与功率电路板4通过螺钉和焊接的功率管共同连接固定。电源机壳通体采用铝合金表面拉丝和阳极氧化处理，所有控制电路板功率器件通过螺钉连接固定在机壳表面之上，通过机壳表面进行散热，同时，电源机壳所有组件通过螺钉连接固定从而保证电气连接，通过机壳接大地。电源底壳1前面板通过螺钉连接固定保险丝盒11，电源底壳1前面板预留长方形孔，探出焊接在控制电路板6上的输入8脚接插件接线端子5，上电指示LED绿灯2、高压输出指示LED红灯3通过螺钉连接固定在底壳1前面板上。电源底壳1后面板通过螺钉连接固定高压电缆保护护套管12，同时输出焊接在极性转换电路板上的高压电缆线。底壳1后面板预埋螺钉13，其上通过蝶形螺母将大地线固定其上，从而保证电压机壳全身和内部电路安全连接大地。

所述的电源电路部分由三块电路板组成：控制电路板6、功率电路板4和输出极性转换开关电路板9。所述控制电路包括高压输出启停部分，稳压调节部分、限流调节部分、电压测量部分、电流测量部分、给定电压部分、过压保护自锁部分、过流保护自锁部分、电压输出显示部分、电流输出显示部分、PWM控制部分和输出极性设置控制部分。功率电路板包括单端功率变换部分、功率变压器部分、输出倍压整流部分、输出直流高压采样部分、输出直流电流采样部分。输出极性转换开关电路板包括四组高压转换开关和短路过载保护单元。

输出直流高压和电流由功率电路板上采样电路部分采集反馈直流电压值和电流值，输入到电压测量部分和电流测量部分进行电压变换归一化处理，一部送到电压输出显示部分和电流输出显示部分，用于输出电压和电流的监测和显示；另一部分输入到调压稳压部分和稳流部分再经过PWM控制部分进行输出电压和电流的稳定性调节。PWM控制部分产生的占空比可变的方波信号去控制功率管驱动功率变压器，经过单端功率变换部分、功率变压器部分、输出倍压整流部分、输出根据需要设置的直流高压值。除去这些功率流的主回路部分，其它的辅助电路包括DC12V送电，电源上电指示绿色LED灯点亮，高压输出启停信号控制电源工作输出高压启动，高电平控制高压指示灯红色LED灯点亮，开始高压输出。低电平控制高压指示灯红色LED灯熄灭，停止高压输出。极性选择P/N信号，高电压输出正高压，低电平输出低电压。同时，高压输出启停信号为低电平时才能够通过设置极性选择P/N信号来转换极性。高压输出启停信号为低电平时输出电压极性转换开关才能进行切换动作。

本发明工作时，各组成部分的工作原理如下：

接上DC24V电源，通过其上的保险丝给电源内部电路供电，电源上电指示绿色LED灯亮。这时才可以进行电源功能操作。输入的DC24V电源经过反转开关稳压电路产生-15V，与此同时，输入的DC24V电源又经过内部稳压电路产生+10V的基准电源和用于控制TTL电路的+5V电源，而产生的±15V则形成内部控制电路工作所需的辅助电源。

高压输出启停信号控制电源工作输出高压，在待机停止工作期间，该端口被设置为低电平，这时高压指示灯红色LED灯熄灭，停止高压输出。

根据实际应用设置好输出电源的正负极性，然后根据实际应用设置给定电压，其中给定电压0~10V对应输出直流电压0~±5KV。

将高压输出启停信号设置为高电平，开始高压输出，这时高压指示灯红色LED灯点亮，同时开始输出直流高压，高压指示灯红色LED灯的亮度会随着输出电压的升高而变得越来越亮。

输出的直流高压电压通过电压采样电路进行采样；输出的直流电流通过电流采样电路进行采样。电压采样值通过电压转换电路处理生成电压采样归一化电压值，0~±5KV对应0~10V，电流采样值通过电压转换电路处理生成电流采样归一化电压值，0~5MA对应0~10V。电压采样归一化电压值输入到输出电压显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电压显示监测电路；电流采样归一化电压值输入到输出电流显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电流显示监测电路。

同时电压采样归一化电压值输入稳压调节环路；电流采样归一化电压值输入电限流调节定环路，进行共同调整处理，输入到PWM调节电路，输出占空比可调的控制方波，来驱动控制功率管，控制功率管带动功率变压器初级工作，进行能量变送，输出到变压器次级，在变压器输出次级得到的高压波形通过后级的倍压整流滤波生成直流高压波形，再经过通过输出电压极性转换开关，最终通过高压电缆输出到负载上。

稳压调节环路可以根据输入的设定电压0~10V与电压采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电压进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，仍然可以保持稳定输出的高压直流电压。而且，可以通过改变设定电压0~10V，任意设定输出的高压直流电压0~±5KV。限流调节环路可以根据输入的内部参考电压10V与电流采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电流进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，特别是恶劣和极端的工作情况下，如过载和短路时，限制电源输出的直流电流在5MA。保护电源不会因为过载和短路而烧毁。

输出正负极性可设置控制部分与高压输出启停控制信号部分互锁控制，当高压输出启停控制信号设置为高电平时，高压输出启动，这时输出正负极性可设置控制部分闭锁，无法改变直流高压输出正负极性；当高压输出启停控制信号设置为低电平时，高压输出停止，这时输出正负极性可设置控制部分解锁，这是可以通过正负极性设置信号的高低实现直流高压输出正负极性转换，由正极转换为负极性输出或由负极转换为正极性输出。正负极性设置控制信号为高电平时，直流高压输出为正极性；正负极性设置控制信号的为低电平时，直流高压输出为负极性；

输出正负极性转换由开关1、开关2、开关3和开关4四只开关组成，其中的两只开关1和开关2连接功率变压器的次级的一端；另外两只开关3和开关4连接输出电压整流滤波电路的输出端。开关1、开关3组成联动转换开关组1，开关2、开关4组成联动转换开关组2，通过输出正负极性可设置控制部分驱动联动转换开关组1和联动转换开关组2分别动作来切换输出高压的正负极性。

与现有技术相比，本发明具有以下改进效果：

1、由于本发明提出了基于高频直流高压发生器的1+1/N集成系统技术思路，即集成一套控制电路和功率变换电路和两套倍压整流滤波电路基础之上所设计的，而以往常用的方案是采用一套正直流电源和一套负直流进行选择性极性转换。因此本设计相比之前的其他实现方案，在体积小、效率高等方面有明显的改进。

2、本发明电源采用全铝密封机壳，表面进行拉丝氧化处理，外观漂亮，耐用。直接将功率器件固定接触在铝机壳表面进行散热，省去使用常规的散热片结构，节省了体积，降低了成本。同时利用铝机壳全身导电性能，实现了方便的接地，而且很好的解决了抗干扰问题。

3、本发明的所有电路板密封于全铝机壳之内，轻松解决了EMI抗干扰的问题。电路板在机壳之中采用了堆叠和嵌入式布局和摆放固定方式。

4、本发明的直流高压输出极性转换控制电路采用互锁控制电路，在电源工作输出高压时自锁保持；在电源待机输出高压停止时，可以进行电位反转设置极性，驱动切换开关的动作。有效地避免了在高压输出情况下进行极性切换所带来的打火放电的危险性。

5、本发明的直流高压输出转换开关电路采用输出功率变压器次级输出一端和倍压整流滤波电路一端两节点四开关同时切换反转输出极性。可以最简化到只用到一套控制电路和功率电路加两套倍压整流滤波电路即可实现直流高压输出极性转换。

6、本发明所设计的电源输出电压高达5KV，为了保证电源安全可靠的运行，设计了特殊的输出极性转换开关，电路板进行了特殊的绝缘处理布线，从而使得在5KV输出高压情况下，可以安全、可靠、稳定地进行连续工作。

7、本发明采用的高压功率变压器采取了特殊的绝缘技术处理，保证高压不打火，同时，为了简化功率变压器的制作工艺复杂性，降低了功率变压器次级输出电压值，后级利用倍压整流滤波电路实现输出电压地提升。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

图1中：1、底壳、2、上电指示LED绿灯、3、高压输出指示LED红灯、4、功率电路板、5、输入8脚接插件接线端子、6、控制电路板、7、上盖、8、中间层隔板、9、输出极性转换开关电路板、10、底层散热片、11、保险丝盒、12、高压电缆保护护套管、13、接地螺钉及安全接地蝶形螺母。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种输出正负极性可设置±5KV高频直流高压发生器如附图所示由电源机壳和电路两大部分组成，其中电源电路部分包括功率变换电路、倍压整流、输出极性转换开关、可设置输出正负极性和控制电路等部分组成。所述的电源机壳部分包括底壳1、中间层隔板8、上盖7、底层散热片10、保险丝盒11、接地螺钉和安全接地蝶形螺母13，上电指示LED绿灯2和高压输出指示LED红灯3。所述机壳底壳1分别与中间层隔板8和上盖7采用螺钉连接固定，控制电路板6通过螺钉连接固定在中间层隔板8，功率电路板4通过螺钉连接固定在底壳1底面，功率电路板4和输出极性转换开关电路板9通过堆叠和嵌入焊接连接固定在一起，底壳1起到总体的支承作用。所述底层散热片110与功率电路板4通过螺钉和焊接的功率管共同连接固定。电源机壳通体采用铝合金表面拉丝和阳极氧化处理，所有控制电路板功率器件通过螺钉连接固定在机壳表面之上，通过机壳表面进行散热，同时，电源机壳所有组件通过螺钉连接固定从而保证电气连接，通过机壳接大地。电源底壳1前面板通过螺钉连接固定保险丝盒11，电源底壳1前面板预留长方形孔，探出焊接在控制电路板6上的输入8脚接插件接线端子5，上电指示LED绿灯2、高压输出指示LED红灯3通过螺钉连接固定在底壳1前面板上。电源底壳1后面板通过螺钉连接固定高压电缆保护护套管12，同时输出焊接在极性转换电路板上的高压电缆线。底壳1后面板预埋螺钉13，其上通过蝶形螺母将大地线固定其上，从而保证电压机壳全身和内部电路安全连接大地。所述的电源电路部分由三块电路板组成：控制电路板6、功率电路板4和输出极性转换开关电路板9。所述控制电路包括高压输出启停部分，稳压调节部分、限流调节部分、电压测量部分、电流测量部分、给定电压部分、过压保护自锁部分、过流保护自锁部分、电压输出显示部分、电流输出显示部分、PWM控制部分和输出极性设置控制部分。功率电路板包括单端功率变换部分、功率变压器部分、输出倍压整流部分、输出直流高压采样部分、输出直流电流采样部分。输出极性转换开关电路板包括四组高压转换开关和短路过载保护单元。输出直流高压和电流由功率电路板上采样电路部分采集反馈直流电压值和电流值，输入到电压测量部分和电流测量部分进行电压变换归一化处理，一部送到电压输出显示部分和电流输出显示部分，用于输出电压和电流的监测和显示；另一部分输入到调压稳压部分和稳流部分再经过PWM控制部分进行输出电压和电流的稳定性调节。PWM控制部分产生的占空比可变的方波信号去控制功率管驱动功率变压器，经过单端功率变换部分、功率变压器部分、输出倍压整流部分、输出根据需要设置的直流高压值。除去这些功率流的主回路部分，其它的辅助电路包括DC12V送电，电源上电指示绿色LED灯点亮，高压输出启停信号控制电源工作输出高压启动，高电平控制高压指示灯红色LED灯点亮，开始高压输出。低电平控制高压指示灯红色LED灯熄灭，停止高压输出。极性选择P/N信号，高电压输出正高压，低电平输出低电压。同时，高压输出启停信号为低电平时才能够通过设置极性选择P/N信号来转换极性。高压输出启停信号为低电平时输出电压极性转换开关才能进行切换动作。本发明工作时，各组成部分的工作原理如下：接上DC24V电源，通过其上的保险丝给电源内部电路供电，电源上电指示绿色LED灯亮。这时才可以进行电源功能操作。输入的DC24V电源经过反转开关稳压电路产生-15V，与此同时，输入的DC24V电源又经过内部稳压电路产生+10V的基准电源和用于控制TTL电路的+5V电源，而产生的±15V则形成内部控制电路工作所需的辅助电源。高压输出启停信号控制电源工作输出高压，在待机停止工作期间，该端口被设置为低电平，这时高压指示灯红色LED灯熄灭，停止高压输出。根据实际应用设置好输出电源的正负极性，然后根据实际应用设置给定电压，其中给定电压0~10V对应输出直流电压0~±5KV。将高压输出启停信号设置为高电平，开始高压输出，这时高压指示灯红色LED灯点亮，同时开始输出直流高压，高压指示灯红色LED灯的亮度会随着输出电压的升高而变得越来越亮。输出的直流高压电压通过电压采样电路进行采样；输出的直流电流通过电流采样电路进行采样。电压采样值通过电压转换电路处理生成电压采样归一化电压值，0~±5KV对应0~10V，电流采样值通过电压转换电路处理生成电流采样归一化电压值，0~5MA对应0~10V。电压采样归一化电压值输入到输出电压显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电压显示监测电路；电流采样归一化电压值输入到输出电流显示电路进行放大提高带载能力，驱动后级的电流显示监测电路。同时电压采样归一化电压值输入稳压调节环路；电流采样归一化电压值输入电限流调节定环路，进行共同调整处理，输入到PWM调节电路，输出占空比可调的控制方波，来驱动控制功率管，控制功率管带动功率变压器初级工作，进行能量变送，输出到变压器次级，在变压器输出次级得到的高压波形通过后级的倍压整流滤波生成直流高压波形，再经过通过输出电压极性转换开关，最终通过高压电缆输出到负载上。稳压调节环路可以根据输入的设定电压0~10V与电压采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电压进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，仍然可以保持稳定输出的高压直流电压。而且，可以通过改变设定电压0~10V，任意设定输出的高压直流电压0~±5KV。限流调节环路可以根据输入的内部参考电压10V与电流采样电路得到的电压值进行比较，对输出的直流电流进行控制，从而保证在输入电压和负载变化的情况下，特别是恶劣和极端的工作情况下，如过载和短路时，限制电源输出的直流电流在5MA。保护电源不会因为过载和短路而烧毁。输出正负极性可设置控制部分与高压输出启停控制信号部分互锁控制，当高压输出启停控制信号设置为高电平时，高压输出启动，这时输出正负极性可设置控制部分闭锁，无法改变直流高压输出正负极性；当高压输出启停控制信号设置为低电平时，高压输出停止，这时输出正负极性可设置控制部分解锁，这是可以通过正负极性设置信号的高低实现直流高压输出正负极性转换，由正极转换为负极性输出或由负极转换为正极性输出。正负极性设置控制信号为高电平时，直流高压输出为正极性；正负极性设置控制信号的为低电平时，直流高压输出为负极性；输出正负极性转换由开关1、开关2、开关3和开关4四只开关组成，其中的两只开关1和开关2连接功率变压器的次级的一端；另外两只开关3和开关4连接输出电压整流滤波电路的输出端。开关1、开关3组成联动转换开关组1，开关2、开关4组成联动转换开关组2，通过输出正负极性可设置控制部分驱动联动转换开关组1和联动转换开关组2分别动作来切换输出高压的正负极性。