模块化结构的大功率高压开关直流电源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种模块化结构的大功率高压开关直流电源的实现方法，该电源主要 应用于需要高压直流驱动的大功率工业磁控管等相关设备中，尤其是需要供给高压大电 流，并长时间运行的微波加热及烧结设备。
【背景技术】
[0002] 在陶瓷烧结、化工萃取、航天航空等工业应用中，驱动大功率磁控管阳极工作的直 流电源需要有较高的输出电压和较大的输出功率。传统方法多采用工频变压器产生高压输 出，运种电源结构不仅体积庞大、制造困难、成本较高，而且损耗比较严重、降低了电源工作 效率。直流开关电源由于能够极大减少电源的体积，显著提高工作效率，且其数字化的可调 控性能更好，目前已经得到越来越广泛的应用。但由于器件所受耐受电压、耐受电流和高频 变压器绝缘及散热性能的限制，传统结构的单个开关直流电源无法实现所需的IOkV电压W 上、且功率IOkWW上的输出等级。若简单地将多个开关电源串联或并联起来，则需要分别对 每个电源进行独立控制且还需整体的同步控制，运不仅增加了系统控制端的实现难度，增 加了硬件开销及成本，而且还存在难于实现精确同步控制、易于产生谐振及分流等问题。
[0003] 针对上述情况，本发明提出了一种模块化结构的大功率高压开关直流电源的实现 方法。通过采用W单输出模块闭环为基准、多输出模块跟随的控制结构，并结合由多个输出 模块构成的串联、并联或多组串并联组合的输出阵列结构，能够较好解决传统方案中控制 方式复杂、开关器件耐压和过流要求高、变压器绝缘及散热实现困难、整体系统稳定性差等 一系列问题，本发明所设计的大功率高压开关直流电源能够实现在工业生产等复杂、高溫 环境下的长时间稳定工作。
【发明内容】
[0004] 本发明公开了一种模块化结构的大功率高压开关直流电源的实现方法，它由输入 整流滤波模块、移相全桥调控模块、信号采样及调理模块、输出模块阵列W及反馈控制模块 组成。所述电源的所有输出模块均依照2500V/3A进行了标准化设计，其结构、参数完全一 致，并且采用了 W单输出模块闭环为基准、多输出模块跟随的控制结构，即输入整流滤波、 移相全桥调控、信号采样及调理、反馈控制等模块都只有一个，而输出模块为多个且形成串 联、并联或多组串并联组合的输出阵列结构，但输出信号仅从一个作为基准的输出模块采 样获得;因而降低了传感采样和控制调节的复杂度、W及整流、变压等硬件的性能要求与实 现难度。同时，通过在各个散热敏感区安装能闭环自动调节风机转速的分布式独立控制节 点，并将各独立控制节点产生的超溫信号W线与方式产生整个电源的溫控断电保护信号， 从而实现了分布式的局部散热自动调节及整体线与结构的限溫保护功能。
[0005] 为了达到W上所述目的，本发明所提出的大功率高压开关直流电源实现方案的技 术特征如下：
[0006] 1.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源是由输入整流滤波模块、移相全桥 调控模块、信号采样及调理模块、输出模块阵列W及反馈控制模块组成；
[0007] 所述输入整流滤波模块由一个=相或单相整流电路、一个滤波网络和一个功率因 数校正电路组成；
[0008] 所述移相全桥调控模块为由全控型开关管构成的移相全桥及其保护电路，通过加 在开关管栅极上的PWM信号来调节超前与滞后臂之间的开启重叠时间，进而控制输出电压 的幅值；
[0009] 所述信号采样及调理模块包括输入电压采样及调理电路、输出电流采样及调理电 路、输出电压采样及调理电路、过电压采样及调理电路、热敏电阻采样及调理电路，实现了 对反馈控制模块所需的输入信号、输出信号、保护信号进行采样及其相应调理；
[0010] 所述输出模块阵列是由多个参数一致的输出模块通过串联、并联或多组串并联组 合后而形成的输出阵列，且所述单个输出模块是由高频变压器、高压整流滤波电路、RCD吸 收电路W及硬件保护电路构成；
[0011] 所述反馈控制模块在接收到采样信号后，通过与设定的电压、电流、功率值进行比 较和运算，最终输出对应的PWM调控信号至移相全桥调控模块W调节电源的输出值，它主要 包括内部控制处理器、按键输入接口、通讯接口、显示接口。
[0012] 2.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源，所述输出模块阵列是依据负载需 求的电压等级选择所串联的输出模块数量，并依据负载需求的电流等级选择所并联的输出 模块组数，进而通过构成串并联混合模式的矩阵结构W满足整体系统的电压和电流等级要 求;所述输出模块阵列中的全部输出模块的电路结构、元件参数、电气性能均完全相同，W 保证所有输出模块的电气一致性和对称性。
[0013] 3.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源，该电源采用了 W单输出模块闭环 为基准的、多输出模块跟随输出的控制结构；即所述输入整流滤波模块、移相全桥调控模 块、信号采样及调理模块、反馈控制模块均只有一个，而输出为多个模块且形成了串联、并 联或多组串并联组合的输出阵列结构，输入电压采样信号从所述输入整流滤波模块获取， 而输出采样信号仅从一个作为基准的所述输出模块获取，利用全部输出模块的电气一致性 和对称性来估算出整体系统的采样信号，从而降低采样与控制的实现难度，减少硬件与成 本开销。
[0014] 4.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源，所述输入整流滤波模块使用一个 全覆盖封装的=相或单相全桥整流模块作为整流部分，其内部的每一个电力二极管都附有 单独的RC吸收电路，用来抑制二极管结电容在开关切换时产生的冲击电流，避免二极管因 通过大电流而被烧毁;经整流后的输入信号，通过电抗器来限制短路电流，抑制高次谐波； W单独的阻容网络电路板作为滤波网络完成滤波，电解电容上储存的电荷将在断电后通过 泄放电阻完成释放；同时，并联了与所述电源的整体容量相匹配的集成式功率因数校正电 路，并在滤波网络输出端接入霍尔电压传感器，采用大功率电阻来限制进入电压传感器的 电流，通过电位器采集整流滤波后的下级直流输入电压;所述输入整流滤波模块的容量应 当大于所述移相全桥调控模块的总输出功率及其电路损耗之和。
[0015] 5.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源，所述移相全桥调控模块是由四个 全控型开关管及其驱动与保护电路组成，对所述输入整流滤波模块输出的直流脉波进行逆 变;其中每两个开关管为一组，一组为超前臂，一组为滞后臂，通过加在栅极上的PWM调节信 号来调节超前臂与滞后臂之间的开启重叠时间，进而控制输出电压的幅值;每个开关管的 集电极和发射极之间接有反向错位二极管，W避免承受过大的反向电压，同时接入了由谐 振电容与变压器原边漏感组成的谐振电路，W提供零电压开关的条件，并且还在变压器原 边侧串入了隔直电容，W避免变压器因磁饱和而引起过热;所述移相全桥调控模块的总输 出功率应当大于所述输出模块阵列的总输出功率及其电路损耗之和。
[0016] 6.根据本发明所述的大功率高压开关直流电源，所述输出模块均由高频变压器、 高压整流滤波电路、RCD吸收电路W及硬件保护电路构成，且所述输出模块都依照2500V/3A 进行了标准化设计，其结构、参数均完全一致;考虑所输出电压和电流的等级，所述高频变 压器采用了非晶铁忍，且原方和副方均为单层缠绕方式，变比为35: 250;所述高压整流滤波 电路采用了=个快恢复二极管串联为一组，两组并联为一臂的桥式整流电路，并在每两个 并联的快恢复二极管两端加入RC吸收电路W抑制反向恢复冲击电流，此外还增加了 RCD吸 收电路W加强反向尖峰电压吸收效果;经整流后的副边高压最后经过LC滤波电路完成直流 输出，并利用共模电感将LC滤波电路分为输出信号采样部分W及负载部分，既能够屏蔽外 界注入的共模干扰信号，又能防止负载端的扰动，确保了输出稳定性和采样准确性;基于单 输出模块闭环为基准的、多输出模块跟随输出的控制结构，仅对于一个作