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夏德印 ， 张 赛
（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）
随着科技的发展和微波技术的广泛应用，小功率高压直流电源的研发与应用也得到了较广泛的推广，小功率高压电源在高压静电除尘、行波管电源、速调管电源等系统中起着重要的作用[1]。
设计的小功率高压模块的主要功能：输入220 V±15%交流电压，输出0 kV～5 kV高压直流电压，输出电流能够在0 μA～1 000 μA范围内根据负载自适应；
输出电流检测范围为0 μA～1 000 μA，2 μA～1 000 μA过流检测且过流告警值可以任意设置；
设备具备本控和远控操作功能；
设有监控单元，能够监测电源运行状态和运行参数，并通过PLC及通信模块上报监控信息；
具备交流输入过/欠压保护、输出过压保护、过载保护、过流告警等功能[2]，且具有快速保护、光纤通信、显示功能，大大扩展了其适应性。
设计的电源模块安全可靠性高，系统综合采用了光纤通信、压率变换、变压器设计、倍压整流、PLC编程等技术，实现了电气的高低压隔离，提高了系统的抗干扰能力及安全性，具有较强的抗磁场干扰能力。设计的电源具有电压高、电流精度高、保护功能齐全等重要优点[3]，且该产品具有体积小、重量轻、控制方便、便于安装等特点，适用于微波发射、军工、国防、通信、医疗、工业、科学研究等领域，应用极为广泛。因此，本研究具有极为重要的参考价值及应用推广意义[4]。
随着电子技术发展的日新月异，新的电子器件、技术理论等也随之涌现，这些新技术被不断应用于电源电路设计中，使得电源越来越先进，具有高智能、高频、高效、高可靠性、体积小、质量轻等优点的电源是科技工作者研发与设计的必然趋势。
微波技术的发展极大地促进了小功率高压电源的发展，其在工业除尘、材料改性、环境保护、微波发射和激光武器等领域得到了广泛的应用。现有的很多高压电源仍然采用工频电源等较传统的技术，存在体积大、重量沉、纹波大、效率低、稳定性差等缺点[5]。随着科技的发展，社会对小功率高压电源提出了具有小型化、智能化、经济性高、效率高等优点的发展要求。
因此，本设计从小功率高压电源的原理入手，采用光纤通信、电压-频率、倍压整流、PLC编程等技术设计了一种小功率高电压直流电源，它的设计组合方式区别于以往同类高、低电压组合式电源的设计方式，体积变得更小、重量变得更轻[2]。
2.1 电路原理
设计的高压直流电源模块，主要由四个部分组成：输入单元、控制单元、通信单元、高压单元，如图1所示。
图1 电路原理
工作过程：输入单相交流电源经隔离、EMI滤波后，给辅助电源供电转换成包括+5 V、+24 V、±12 V的电源，给装置内部各个单元供电；
装置以PLC控制器为核心，实现对模块开关、输出电压设定、运行参数的监视等，电压采样单元对电路输出电压进行采样并将采样结果传送给PLC，PLC通过设定调节设定参数实现对输出电压的闭环控制[6]，得到稳定的输出高压。
2.2 原理功能
输入单元：系统供电，EMI模块进行交流输入的滤波，辅助电源模块为控制单元、通信单元、高压电源供电。
控制单元：具有控制系统运行、参数采样、系统保护、系统告警等功能，且具有过流故障信号通过光纤传输给控制单元功能。可通过其输出电压、自适应的电流值监视控制电源的运行状态。
通信单元：P L C控制器通过光纤通信模块ADAM-4541，可实现与总控单元间参数的光纤传输。
高压单元：利用推挽变压器、倍压整流电路技术，完成输入低电压到输出高电压的变换，实现高电压的输出与调节。
3.1 电压采样技术
设计的电压回馈电路中采用了光耦PC817的线性传输特性，其具有价格低、电路简单、输入电压范围较宽、测量精度好等优点[7]，如图2所示。
图2 控制电压测量电路
假设光耦PC817的传输特性公式：
其中，IP是光耦PC817的正向电流，VP是光耦PC817的导通压降。
目标传输特性公式：
电压基准芯片TL431的基准电压Vref：
令R6=R7=R8=R9，可知：
利用电阻R8和R11进行调节，实现光耦PC817的特性传输方程是：
3.2 芯片AD654压频V/F电路技术
利用芯片AD654型V/F集成电路的特性原理，设计了一款信号调制的电路。芯片AD654是美国公司生产的一种低成本电压频率（V/F）变换器件，其输出的频率与输入的电压成正比例关系[8]，比例系数与外围相关的电阻、电容参数有关，可用作信号发生源、信号解调和V/F变换等。它可以是单电源供电，也可是双电源供电，且工作电压范围也比较宽。AD654芯片输入电压VIN与输出频率FOUT之间的转换公式为：
在AD654芯片的使用过程中，外围电路器件特性会严重影响转换精度，如温度特性、精度等会对转换精度产生明显的影响，故选取性能可靠、温度特性好、材质合适的外围电阻及容器件等提高转换精度。样机测试结果表明，电路压频V/F转换精度较好[9]，证实了设计方法的正确性和可行性。电路设计将电压信号转换成频率信号，并把输出的频率信号传送给 PLC控制器，利用先前定义好的频率/电压对应公式转换成相应的电压信号。实验结果表明，所设计的压/频信号电路，可以将频率信号通过光纤实现远距离传输，提高了信号的抗干扰能力及安全性。
3.3 倍压整流电路设计
倍压整流设计具有将交流电转换成直流电的功能，同时可以得到高出多倍的直流电压（倍压），在电路设计中采用倍压整流设计可减小设计装置的体积与重量。
高压单元为减少倍压整流短路单元的级数及提高电路工作的效率，将变压器与倍压整流电路相结合，先进行变压器升压，然后利用倍压整流电路原理调节出输出的高压，将输入的低电压转变成高压进行输出，实现了电路的高增益隔离升压变换[9]。
3.3.1 倍压电路的设计
本文设计的高压直流电源采用推挽逆变一级升压，再进行倍压整流二级升压的主拓扑，若变压器副边输出电压为U，则采用4倍压整流电路进行设计，如图3所示。
图3 高压电源主电路
其中，DC+是输入直流电源的正、DC-是输入直流电源的负；
Uo+是输出高压的正、Uo-是输出高压的负；
E是输入电压储能，具有稳压、滤波的作用；
C1对输入电源的高频纹波进行滤除；
Q1、Q2是推挽逆变电路的开关，控制着变压器T的导通与关断。
3.3.2 倍压电路工作原理
在倍压电路工作原理分析过程中，假定电容的充电速率远远大于其放电速率、变压器副边的电压是U。工作过程开始，在第一周期的正半周，副边电压U通过二极管D1给电容C2充电到U1=U，在第一周期的负半周U与C1上的电压串联在一起给电容C3充电。第二个周期的正半周，电压U再给C1充电，此时二极管D1已导通，电容C4上暂无电压，将通过二极管D1、D3向C4充电；
第二个周期的负半周，变压器副边电压U与电容C2在向电容C3充电的同时，电容C4也向暂无电压的电容C5充电。因此，倍压整流电路中的能量是从前级逐渐向后级传递的，设计的倍压整流电路经过两个周期可将部分电量传递给电容C5。电路经过多个工作周期后，除电容C2上的电压是U1=U外，电路中其他电容均为U2=U3=U5=2U，C3、C5上电压之和是4U，也就是电路负载R1上的电压4U，即四倍压整流电路[10]。
4.1 控制原理设计
装置工作时，输出电压参数通过PLC下发给控制板，控制板进行信号变换后输入到高压模块的输入给定端，控制高压模块的输出电压值；
高压电源模块工作时，实时采样输出电压，并将采集的电压信号转换成频率信号，通过隔离后传送给PLC，通过PLC对输出电压进行闭环调节，调整输出电压设置值，使电压反馈和电压设置趋向一致，偏差在设定允许的范围内[11]。
4.2 控制软件设计
装置的控制主要由上位机（计算机）、PLC控制单元以及配套软件组成，根据系统环境适应性相关的要求以及电源系统所需要的输入/输出点数量，PLC选择满足条件的西门子系列S7-200控制器[12]。
4.3 控制流程图
装置通过软件设定自校准程序实现输出的稳定，使得设计电源输出电压能够按照设定电压稳定输出，其控制流程如图4所示。
图4 程序流程图
原理样机具有电气高低压隔离、抗干扰能力强、操作便捷、安全可靠性高、稳定性高、电流精度高、保护功能齐全等特点，样机输出结果良好，达到了设计目的。
本文对设计样机的电路拓扑、工作原理、控制策略、控制方法和运行特性等方面的研究与分析进行了详细论述，最后完成了原理样机的设计。经过对样机进行测试，证明了设计电源达到了要求，其具有可靠性高、损耗低、稳定性好、成本低、结构简单、体积小、维护方便、抗干扰能力强等优点，同时证实了设计的小功率高压电源硬件、软件
控制策略和理论分析的科学性与可行性；
设计的电力装置是微波发射、工业等多个领域较为理想的小功率电源，具有较高的应用及推广价值。因此，本课题的研究为小功率高压电源相关理论补充了有价值的参考资料，具有重要的研究意义。
