专利名称：一种产生高稳定度高压的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种产生高稳定度高压的系统，如图2所示，是本发明的X射线测厚仪 中产生高稳定度高压系统的实施例原理图，所述的系统的电路中主要由开关变换电路1、大 变比变压器2、电压倍增器3、 P丽控制电路4、反馈采样电路5和电阻R4组成，其中的开关 变换电路1以串联方式接于输入直流Vi母线两端，包括至少两个功率管，用于逆变直流输 入电压产生高频波；所述大变比变压器2具有一次侧和二次侧，其中一次侧连接在开关变 换电路1的高频波输出端，二次侧连接电压倍增器3，电压倍增器3与电阻R4并联后输出稳 定高压Vo，同时，高压取样电压通过反馈采样电路5反馈至频率可调的P丽控制电路4，实 现闭环反馈控制，频率可调的P丽控制电路4的输出端与开关变换电路1中的各个功率管 的栅极连接。所述高频波的电压波形为方波，电流波形为正弦波。所述频率可调的P丽控 制电路4输出双路控制波形，控制半桥开关变换电路1工作，并可以调整控制波形的频率。
在图2所示的电路结构中，所述开关变换电路1采用全桥变换器，包括电源、四个 功率管Qp Q2、 Q3、 Q4，功率管采用M0SFET或IGBT，以适应较高的逆变工作频率；每个功率管的栅极连接频率可调的P丽控制电路4的输出端；第一功率管Q"第三功率管Q3的漏极连 接电源正极，第一功率管的衬底端和源极连接第二功率管Q2漏极，第三功率管Q3的衬底 端和源极连接第四功率管Q4漏极；第二功率管Q2和第四功率管Q4的衬底端和源极连接电 源的负极，在第二功率管Q2的漏极与第四功率管Q4的漏极之间连接大变比变压器2的一次 侧。所述的大变比变压器2的一次侧为一条串并联谐振电路，用于实现软开关工作方式，该 串并联谐振电路是由一个谐振电感Ls、一个谐振电容Cs以及大变比变压器2的等效并联谐 振电容Cp组成的，所述谐振电感Ls采用空心骨架绕制；或者，采用铁氧体磁芯材料绕制，中 间留有部分气隙；或者，采用铁硅铝磁芯材料绕制。大变比变压器2的二次侧接电压倍增器 3，用于使整流并倍压达到所需直流高压；电压倍增器3并联一个电阻R4后输出高压Vo。在 输出高压Vo末端，接有反馈采样电路5，其采用一个高压电阻R4分压，经过反馈采样电路5 的信号处理并反馈回频率可调的P丽控制电路4，用于实现闭环反馈控制使输出高压稳定； 频率可调的P丽控制电路4用于控制开关变换电路1工作，并调整其工作频率，实现整个电 路的正常运作。当开关变换电路l中包括四个功率管时，其与直流电压Vi为系统高压主回 路供电电压，可以是市电交流电整流并滤波后直流电压，也可以是斩波稳压电路输出的直 流电压。 频率可调的P丽控制电路4输出驱动信号控制功率管Qp Q2、 Q3、 Q4交替导通。由 于大变比变压器2存在较大的分布电容和漏感，影响电路性能并降低稳定度，使得频率可 调的P丽控制电路4的工作频率受到限制。分布电容和漏感越大，工作频率越低，输出电压 脉动越大，稳定度越低。在本发明中，通过利用大变比变压器2的次级分布电容等效的LCC 谐振电路的并联谐振电容Cp，减小了寄生参数对电路性能的不利影B向，显著提高频率可调 的P丽控制电路4的工作频率，达到25kHz以上，使得输出电压稳定度显著提高。而且，提 高工作频率的另一好处，是减小磁性元件体积，显著减小系统占用空间。 在频率可调的P丽控制电路4的输出驱动信号控制下，开关变换电路1中对角功 率管Qi与Q4、Q2与Q3交替导通，如图3中所示，高电平代表相应功率管导通，低电平代表相 应功率管关断。输入直流电压Vi通过开关变换电路l后变为矩形波电压V^。由于串并联 谐振电路的存在，谐振电感Ls与电容CP、 Cs发生谐振，使得通过电流相对平滑上升与下降， 为正弦波形，图3中的电流L所示为正弦波形，为电路实现软开关工作方式创造了条件。 而且，由于电容CP的影响，输入大变比变压器2的电压波形接近正弦波，与原有技术中产生 方波相比谐波小，通过大变比变压器2的畸变小，有利于减小输出电压的畸变，提高输出电 压稳定度。 通过调整频率可调的P丽控制电路4的工作频率，改变电压与电流L的相位 差，使功率管在导通或关断时的两端电压或通过电流近似为零，即开关变换电路1实现软
开关工作方式，进一步增强了输出高压稳定性。通过实验分析知道，频率可调的P丽控制电 路4控制实现零电流关断比零电压导通的工作频率高。 产生的高频波输入大变比变压器2的初级，由于大变比变压器2变比n通常很大， 通过大变比变压器2的升压，次级输出高频高压可达10kV 30kV。次级输出高压提供给 电压倍增器3，通常选择Cockroft-Walton倍压整流电路，有四种类型CW电路、对称CW电 路、反向CW电路、反向对称CW电路。通过选择合适的倍压级数与拓扑，电压倍增器3输出 X射线测厚仪高压发生器所需高压，约为50 100kV或150kV 225kV。
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电压倍增器3在完成升压与整流功能的同时，也会产生一定的电压降低与脉动， 影响输出高压稳定性。另外，输入直流电压Vi的波动及系统受到其他干扰时，都会降低输 出高压稳定性。为了产生高稳定高压，避免多个串联电阻可能引起的精度与温漂问题，在 高压输出末端Vo采用一个高压电阻R4直接分压取样，该电阻R4温漂系数低、分压比精度 高，分压比依据输出高压而定，本实施例中输出高压达100KV，而反馈电路与控制电路均为 15V，所以设计分压比为万分之一，使反馈信号电平控制在10V以内。高压取样电压通过反 馈采样电路5反馈至频率可调的P丽控制电路4，实现闭环反馈控制。当反馈电压低于一设 定电压时，依据误差信号大小，频率可调的P丽控制电路4增大输出驱动信号占空比，使功 率管导通时间增大，更多能量传递到电压倍增器3，使输出高压稳定。反之，减小功率管导 通时间。通过闭环反馈控制，进一步增强输出高压稳定性，并减少输出电压降落。如图4所 示，是本发明的X射线测厚仪中产生高稳定度高压系统的另一个实施原理图。开关变换电 路1由第一电容Q和第二电容G、第三功率管Q3和第四功率管Q4组成，第三功率管Q3的漏 极连接电源正极，衬底端与源极连接第四功率管Q4的漏极，第四功率管Q4的衬底端与源极 连接电源负极，第三功率管Q3和第四功率管Q4的栅极连接频率可调的P丽控制电路4，电 容CI和C2串联在电源的正负极之间。第一电容Q和第二电容C2的中点与第四功率管Q4 的漏极之间连接大变比变压器2的一次侧。本实施例中第一电容Q和第二电容C2串联分 压，由于电容容量较大，在工作过程中可近似认为二者中点电压为Vi/2，相对于图2所示的 具有四个功率管的开关变换电路l，开关变换电路l输出电压减半，因此输出功率减半，适 用于输出功率较小的场合。
权利要求
一种产生高稳定度高压的系统，包括开关变换电路(1)、大变比变压器(2)、电压倍增器(3)、PWM控制电路、反馈采样电路(5)和电阻(R4)；其特征在于PWM控制电路为频率可调的PWM控制电路(4)，电阻(R4)只有一个，并与电压倍增器(3)并联；所述开关变换电路(1)包括至少两个功率管，用于逆变直流输入电压产生高频波；所述大变比变压器(2)具有一次侧和二次侧，所述的一次侧连接在开关变换电路(1)的高频波输出端，所述的二次侧连接电压倍增器(3)，电压倍增器(3)与电阻(R4)并联后输出稳定高压Vo，同时，高压取样电压通过反馈采样电路(5)反馈至频率可调的PWM控制电路(4)，实现闭环反馈控制，频率可调的PWM控制电路(4)的输出端与开关变换电路(1)中的各个功率管的栅极连接，用于控制开关变换电路(1)工作，并调整其工作频率；所述大变比变压器(2)的一次侧是由一个谐振电感(Ls)、一个谐振电容(Cs)和大变比变压器(2)的等效并联谐振电容(Cp)组成的串并联谐振电路，用于实现软开关工作方式。
2. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述开关变换 电路(1)采用全桥变换器，包括电源和四个功率管(Q》、(Q2)、 (Q3)、 (Q4);每个功率管的栅 极连接频率可调的P丽控制电路(4)的输出端，第一功率管(Q》、第三功率管(Q3)的漏极连 接电源正极，衬底端和源极连接在一起，并分别与第二功率管(Q2)和第四功率管(Q4)的漏 极连接，第二功率管(Q2)和第四功率管(Q4)的衬底端和源极连接在一起，并分别与电源的 负极连接，在第二功率管(Q2)的漏极与第四功率管(Q4)的漏极之间连接大变比变压器(2) 的一次侧。
3. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述开关变换 电路(1)由电源、第一电容(C》和第二电容(C》、第三功率管(Q3)和第四功率管(Q4)组 成，第三功率管(Q3)的漏极连接电源正极，衬底端与源极连接于第四功率管(Q4)的漏极，第 四功率管(Q4)的衬底端与源极连接电源负极，第一电容(C》和第二电容(C2)的中点与第 四功率管(Q4)的漏极之间连接大变比变压器(2)的一次侧。
4. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述电压倍增 器(3)由高压硅堆与高压电容组成。
5. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述谐振电感 (Ls)采用空心骨架绕制；或者，采用铁氧体磁芯材料绕制，中间留有部分气隙；或者，采用 铁硅铝磁芯材料绕制。
6. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述高频波的 电压波形为方形，电流波形为正弦波。
7. 根据权利要求1所述的一种产生高稳定度高压的系统，其特征在于所述频率可调 的P丽控制电路(4)输出双路控制波形，控制半桥开关变换电路工作，电源输出的直流电压 Vi通过开关变换电路(1)后变为矩形波电压V,
全文摘要
本发明公开了一种产生高稳定度高压的系统，属于高压发生器技术领域，所述系统的电路结构包括开关变换电路、大变比变压器、电压倍增器、反馈采样电路、频率可调的PWM控制电路。所述变压器具有一次侧和二次侧，所述的一次侧连接在开关变换电路的高频波输出端，是由一个谐振电感Ls、一个谐振电容Cs以及大变比变压器的等效并联谐振电容Cp组成的串并联谐振电路。本发明减小了变压器的寄生参数的不利影响，提高了电路高频工作频率，降低了输出电压的脉动和负载的电压降，显著增强输出高压稳定性；通过调整电路工作点，实现软开关工作方式，进一步增强输出高压稳定性；提高工作频率，减小磁性元件体积，显著减小系统占用空间。
文档编号H02M3/24GK101697453SQ200910236459
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月22日 优先权日2009年10月22日
发明者党红文, 李小钢, 柯焕林, 邱忠义 申请人:北京金自天正智能控制股份有限公司;