一种高精度一体化高频高压电源的制作方法

本发明涉及高频高压电源技术领域，特别涉及一种高精度一体化高频高压电源。

背景技术：

直流高频高压电源主要应用于电除尘、检测仪器等设备中，现有技术中，高频高压电源一般均采用全桥逆变、升压变压器和倍压整流来实现，其中，电源的输出频率是由pwm驱动板对全桥逆变电路进行驱动来实现。

1)现有的大部分的pwm驱动板的电路设计均采用了数字技术或智能芯片技术，这种电路的设计响应慢、不能实现高精度的触发效果；

2)现有的pwm驱动一般仅有电流或电压的单的反馈功能，其控制精度也不高；

3)在电压或电流的采集信号的处理上，没有高精度的信号处理电路，在电压控制信号或电流控制信号的输出处理上，也没有针对于高精度的信号输出处理电路。

上述的缺陷造成了现有的直流高频高压电源的总体精度不高、系统反应速度慢。

4)现有的高压电源一般不允许短路和开路，短路冲击容易过流损坏，开路易过压烧毁；

5)现有产品一般不能输出电压电流从0线性调整。

另外，现有的倍压整流装置也没有一个合理的整体散热结构形式。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种高精度一体化高频高压电源，采用全模拟电路的设计，并且采用电流控制与电压控制同时对pwm的输出进行控制，响应速度快，控制精度高，对于输入的采样信号以及电流或电压的控制输出信号进行了有效处理，更进一步提高的电源的精度，同时，采用整体设计的多倍压整流装置，安装及散热合理布局，利于形成高电压等级的高频高压电源的一体化安装结构。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高精度一体化高频高压电源，包括由低压直流输入端至高频高压输出端依次连接的全桥逆变单元、升压变压器和多倍压整流装置；还包括用于对全桥逆变单元进行驱动的驱动控制单元；所述的驱动控制单元包括pwm驱动电路。

所述的pwm驱动电路包括pwm控制器、两路高速mostet驱动器和第一驱动变压器ot1与第二驱动变压器ot2，pwm控制器输入端接收由电压控制电路和电流控制电路而来的脉冲宽度调整信号ic，输出端输出两路触发驱动信号，通过两路高速mostet驱动器输出两路驱动信号，经由驱动第一驱动变压器ot1与第二驱动变压器ot2后输出四路驱动信号至全桥逆变单元。

所述的驱动控制单元还包括与pwm驱动电路相连接的电压控制电路和电流控制电路；所述的电压控制电路和电流控制电路的输入端分别与多倍压整流装置的电压采集端和电流采集端相连，其输出端共同输出脉冲宽度调整信号ic至pwm驱动电路。

所述的电压控制电路包括第一电流/电压变换电路、第一信号跟踪电路、第一电压极性选择电路、第一仪表信号输出隔离电路和第一比较电路；由电压采集端而来的电压采样信号依次经过第一电流/电压变换电路、第一信号跟踪电路和第一电压极性选择电路后，一路经第一仪表信号输出隔离电路输出至电压监测仪表，另一路经过第一比较电路输出脉冲宽度调整信号ic。

所述的电流控制电路包括第二电流/电压变换电路、第二信号跟踪电路、第二电压极性选择电路、第二仪表信号输出隔离电路和第二比较电路；由电流采集端而来的电流采样信号依次经过第二电流/电压变换电路、第二信号跟踪电路和第二电压极性选择电路后，一路经第二仪表信号输出隔离电路输出至电流监测仪表，另一路经过第二比较电路输出脉冲宽度调整信号ic。

所述的电压控制电路和电流控制电路的两路ic信号，哪一路信号电平拉低，即由哪一路进行控制，两路信号电平同时拉低，则两路同时控制。

所述的电压控制电路中，第一信号跟踪电路还同时输出电流校正信号ma_comp，所述的电流校正信号ma_comp连接至所述的电流控制电路的第二信号跟踪电路的输入端。

所述的pwm驱动电路的pwm控制器的输出端口还输出用于限定斜坡变化率的slope信号，slope信号分别连接至电流控制电路和电压控制电路的输入端。

所述的电压控制电路中，电压采集信号依次经第一电流/电压变换电路、第一信号跟踪电路、第一电压极性选择电路后接入第一比较电路的一个输入端，第一比较电路的另一个输入端连接来自pwm驱动电路的slope信号和来自电位器的电压设定信号prog_kv。

所述的电流控制电路中，电流采集信号依次经第二电流/电压变换电路、第二信号跟踪电路、第二电压极性选择电路后接入第二比较电路的一个输入端，第二比较电路的另一个输入端连接来自pwm驱动电路的slope信号和来自电位器的电流设定信号prog_ma。

所述的电压控制电路中，第一电压极性选择电路包括第一电压极性选择跳线和第一反相器，由第一信号跟踪电路输出的信号一路连接第一电压极性选择跳线的正极端，另一路经过第一反相器后连接第一电压极性选择跳线的负极端，由第一电压极性选择跳线通过跳线选择输出正极端或负极端。

所述的电流控制电路中，第二电压极性选择电路包括第二电压极性选择跳线和第二反相器，由第二信号跟踪电路输出的信号一路连接第二电压极性选择跳线的正极端，另一路经过第二反相器后连接第二电压极性选择跳线的负极端，由第二电压极性选择跳线通过跳线选择输出正极端或负极端。

所述的多倍压整流装置包括多倍压整流电路及其输出端依次串联的由第一放电管gt1构成的第一放电电路、由限流电阻rl1-rln和取样电阻r1-rn构成的限流及取样输出电路、由反馈电阻rf1-rfn构成的反馈电路，所述的限流及取样输出电路的两端还并联有第二放电管gt2构成的第二放电电路，第一放电电路的下端还经由滤波电容c1-cn接地。

所述的多倍压整流装置包括从上至下依次布置的第一层pcb板、第二层pcb板、第三层pcb板、第四层pcb板、第五层pcb板和第六层pcb板，还包括前封板和后封板，所述的前封板与后封板卡接于第一层pcb板、第二层pcb板、第三层pcb板、第四层pcb板、第五层pcb板和第六层pcb板的两端，各层pcb板之间留出散热间隙；

所述的第一层pcb板的上端和第六层pcb板的下端均安装有多个二极管，所述的第二层pcb板的下端和第五层pcb板的上端均安装有多个电容，所述的第三层pcb板的下端和第四层pcb板的上端均安装有限流电阻和取样电阻。

所述的多个二极管及多个电容电气连接成倍压整流电路，所述的限流电阻和取样电阻串联在倍压整流电路的输入端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用全模拟电路的设计，响应速度快；

2、采用电流控制与电压控制同时对pwm的输出进行控制，两路ic信号，哪一路信号电平拉低，即由哪一路进行控制，两路信号电平同时拉低，则两路同时控制，控制精度高；

3、在电压和电流的采样信号的处理上，采用多种校准方式同时作用，保证了采样信号的准确性，达到电源的高精度效果；

4、在控制信号的输出处理上，如果供给仪表的输出信号直接输出，会与仪表的内部电路构成回路，影响进入比较电路的信号的准确性，用仪表隔离输出电路对仪表的输出信号进行隔离处理解决了此问题；

5、pwm驱动电路反馈给电压控制电路和电流控制电路的slope信号，能够限定给定信号的斜坡最大值和最小值，对信号进行限压保护，防止电压过冲并提高响应速度；

6、第一放电电路和第二放电电路的运用，能够防止hvout输出端短路或开路时，rf取样错误，第一放电电路能够防止短路冲击，同时滤波电容的使用能够大大降低纹波系数使vac<5vp；

7、采用整体设计的多倍压整流装置，安装及散热合理布局，利于形成高电压等级的高频高压电源的一体化安装结构。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明的电压控制电路结构框图；

图3为本发明的电流控制电路结构框图；

图4为本发明的pwm驱动电路结构框图；

图5为本发明的电压控制电路具体设计电路图；

图6为本发明的电流控制电路具体设计电路图；

图7为本发明的pwm驱动电路板的pwm控制器电路图；

图8为本发明的pwm驱动电路板的高速mostet驱动器电路图；

图9为本发明的全桥逆变单元电路图；

图10为本发明的升压变压器和多倍压整流装置电路图；

图11为本发明的多倍压整流装置的电路结构图；

图12为本发明的多倍压整流装置的分层立体结构图；

图13为多倍压整流装置的主视图；

图14为多倍压整流装置的结构立体图。

其中：1-全桥逆变单元2-升压变压器3-多倍压整流装置4-驱动控制单元5-pwm驱动电路6-电流控制电路7-电压控制电路8-第一电流/电压变换电路9-第一信号跟踪电路10-第一电压极性选择跳线11-第一反相器12-第一仪表信号输出隔离电路13-第一比较电路14-第二电流/电压变换电路15-电位器2w316-第二信号跟踪电路17-第二电压极性选择跳线18-第二反相器19-第二仪表信号输出隔离电路20-第二比较电路21-第一层pcb板22-第二层pcb板23-第三层pcb板24-第四层pcb板25-第五层pcb板26-第六层pcb板27-前封板28-后封板29-二极管30-电容31-取样电阻32-限流电阻33-支撑螺柱34-电缆出线孔35-电缆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种高精度一体化高频高压电源，包括由低压直流输入端至高频高压输出端依次连接的全桥逆变单元1、升压变压器2和多倍压整流装置3；还包括用于对全桥逆变单元进行驱动的驱动控制单元4；所述的驱动控制单元4包括pwm驱动电路5。

所述的驱动控制单元4还包括与pwm驱动电路5相连接的电压控制电路6和电流控制电路7；所述的电压控制电路6和电流控制电路7的输入端分别与多倍压整流装置3的电压采集端和电流采集端相连，其输出端共同输出脉冲宽度调整信号ic至pwm驱动电路5。

如图2所示，所述的电压控制电路6包括第一电流/电压变换电路8、第一信号跟踪电路9、第一电压极性选择电路、第一仪表信号输出隔离电路12和第一比较电路13；第一电压极性选择电路包括第一电压极性选择跳线10和第一反相器11，由第一信号跟踪电路9输出的信号一路连接第一电压极性选择跳线10的正极端，另一路经过第一反相器11后连接第一电压极性选择跳线10的负极端，由第一电压极性选择跳线10通过跳线选择输出正极端或负极端。由电压采集端而来的电压采样信号依次经过第一电流/电压变换电路8、第一信号跟踪电路9和第一电压极性选择电路后一路经第一仪表信号输出隔离电路12输出至电压监测仪表，另一路经过第一比较电路13输出脉冲宽度调整信号ic。

如图3所示，所述的电流控制电路7包括第二电流/电压变换电路14、第二信号跟踪电路16、第二电压极性选择电路、第二仪表信号输出隔离电路19和第二比较电路20；第二电压极性选择电路包括第二电压极性选择跳线17和第二反相器18，由第二信号跟踪电路16输出的信号一路连接第二电压极性选择跳线17的正极端，另一路经过第二反相器18后连接第二电压极性选择跳线17的负极端，由第二电压极性选择跳线17通过跳线选择输出正极端或负极端。由电流采集端而来的电流采样信号依次经过第二电流/电压变换电路14、第二信号跟踪电路16和第二电压极性选择电路后，一路经第二仪表信号输出隔离电路19输出至电流监测仪表，另一路经过第二比较电路20输出脉冲宽度调整信号ic。

如图4所示，所述的pwm驱动电路5包括pwm控制器、两路高速mostet驱动器和第一驱动变压器ot1与第二驱动变压器ot2，pwm控制器输入端接收由电压控制电路6和电流控制电路7而来的脉冲宽度调整信号ic，输出端输出两路触发驱动信号，通过两路高速mostet驱动器输出两路驱动信号，经由驱动第一驱动变压器ot1与第二驱动变压器ot2后输出四路驱动信号至全桥逆变单元。

如图1-4所示，所述的pwm驱动电路5的pwm控制器的输出端口还输出用于限定斜坡变化率的slope信号，slope信号分别连接至电流控制电路7和电压控制电路6的输入端。

如图2所示，所述的电压控制电路6中，电压采集信号依次经第一电流/电压变换电路8、第一信号跟踪电路9、第一电压极性选择电路后接入第一比较电路13的一个输入端，第一比较电路13的另一个输入端连接来自pwm驱动电路5的slope信号和来自电位器的电压设定信号prog_kv。

如图3所示，所述的电流控制电路7中，电流采集信号依次经第二电流/电压变换电路14、第二信号跟踪电路16、第二电压极性选择电路后接入第二比较电路20的一个输入端，第二比较电路20的另一个输入端连接来自pwm驱动电路5的slope信号和来自电位器的电流设定信号prog_ma。

如图2-3所示，所述的电压控制电路6中，第一信号跟踪电路9还同时输出电流校正信号ma_comp，所述的电流校正信号ma_comp连接至所述的电流控制电路7的第二信号跟踪电路16的输入端。

如图5所示，为所述的电压控制电路6的具体实施电路图，图中，芯片ic2为四路运算放大器lt1014，其中，1-3引脚、5-7引脚、8-10引脚、12-14引脚各为一路运放，根据引脚的连接关系不同，分别构成信号跟踪电路、反相器、信号隔离电路和比较器，图2中的第一电流/电压变换电路8由电阻1r1、电阻1r2和电位器1w1连接构成，将采集的电流形式的信号转变为电压信号形式，第一信号跟踪电路9由电阻1r4、电位器1w2和lt1014(ic2)的第一路运放构成的信号跟踪电路，其中，电位器1w2还可根据采样监控点tp2的测量值进行调节，使采样端信号值与控制电路的信号值保持一致，第一电压极性选择电路包括极性选择跳线10和第一反相器11、反相器由ic2的第二组运放构成，第一仪表信号输出隔离电路12由ic2的第四组运放构成，经处理后的采样信号需要分成两路，一路用于进行仪表的监控，另一路供给比较器与设定值进行比较输出，如果供给仪表的输出信号直接输出，会与仪表的内部电路构成回路，影响进入比较电路的信号的准确性，从而使输出的控制信号不准，本发明在仪表输出信号处增加了输出信号的隔离电路，解决了此问题。第一比较电路13是由ic2的第三组运放构成的比较电路，从jump1而来的信号一路直接给到第一仪表输出隔离电路12中ic2的12号引脚，另一路经电阻1r13给到第一比较电路13中ic2的9号引脚，作为比较器的一个输入端，比较器的另一个输入端(ic2的10号引脚)为由外部端子u1-c而来的slope、prog_kv两路信号共同构成，比较器的输出端(ic2的8号引脚)输出pwm控制信号ic连接至端子u1-c上。

如图6所示，为所述的电流控制电路7的具体实施电路图，图6的电流控制电路7与图5的电压控制电路6基本相同，这里不再重复介绍，仅就不同的两点进行说明，(1)电流/电压电路的电阻和电位器参数选择不同，见图5和图6，由于电流的采样信号与电压的采样信号的信号参数不同，所以图6的第二电流/电压变换电路14的电阻2r1、电阻2r2和电位器2w1的电阻参数选择与图5不同。(2)图5的第一信号跟踪电路9输出的信号值同时作为了用于电流采样信号处理的校正信号ma_comp由外部端子u2-4经过电阻2r15和电位器2w315接入了第二信号跟踪电路16的ic3第2号输入引脚中，用于对电流采样信号处理的校正。

如图7所示，为pwm驱动电路5中pwm控制器sg3525的电路图，sg3525电路已经是公开的技术，这里不做详细描述，仅对输入和输出信号进行描述，图中，输入的信号为由端子u3-c而来的ic信号，接入sg3525的1号引脚，ic信号由电压控制电路6和电流控制电路7同时接入，哪一路信号电平拉低，即由哪一路进行控制，两路信号电平同时拉低，则两路同时控制，控制精度高。sg3525的输出信号为由11和14号引脚输出的a和b触发信号，同时sg3525的8号引脚还输出一路slope信号给电压控制电路6和电流控制电路7用于信号的斜坡限定。

图8为pwm驱动电路5的两路高速mostet驱动器tc4420的实施电路图，连接关系与图4完全相同，这里不再重复描述。

图9为常规的四路驱动的全桥逆变电路图，由图8中的四路驱动信号g1-s1、g2-s2、g3-s3、g4-s4对由四个irf640构成的全桥逆变电路1进行驱动，全桥逆变电路1的输出端ab和cd为低压直流输出端。

图10为由全桥逆变电路1输出的电源端ab和cd依次连接了升压变压器2和倍压整流电路3，最终输出高频高压电源。

如图11所示，本发明在多倍压整流电路的输出端依次串联了由第一放电管gt1构成的第一放电电路、由限流电阻rl1-rln和取样电阻r1-rn构成的限流及取样输出电路、由反馈电阻rf1-rfn构成的反馈电路，所述的限流及取样输出电路的两端还并联有第二放电管gt2构成的第二放电电路，第一放电电路的下端还经由滤波电容c1-cn接地。本电路的第一放电电路和第二放电电路的运用，能够防止hvout输出端短路或开路时，rf取样错误，第一放电电路能够防止短路冲击，同时滤波电容的使用能够大大降低纹波系数使vac<5vp。

如图12-14所示，所述的多倍压整流装置3，包括从上至下依次布置的第一层pcb板21、第二层pcb板22、第三层pcb板23、第四层pcb板24、第五层pcb板25和第六层pcb板26，还包括前封板27和后封板28，所述的前封板27与后封板28卡接于第一层pcb板21、第二层pcb板22、第三层pcb板23、第四层pcb板24、第五层pcb板25和第六层pcb板26的两端，各层pcb板之间留出散热间隙。

所述的第一层pcb板21的上端和第六层pcb板26的下端均安装有多个二极管29，所述的第二层pcb板22的下端和第五层pcb板25的上端均安装有多个电容30，所述的第三层pcb板23的下端和第四层pcb板24的上端均安装有限流电阻32和取样电阻31。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。