專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源技術(shù)，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及具有改進(jìn)的千伏/體積特性的高壓電源。
本發(fā)明背景一般的電壓源(例如，給高壓負(fù)載提供DC功率的電壓源)使用電源電子線路，后者包括提供電壓遞增和輸入與輸出之間隔離的變壓器以及合理配置的用于從變壓器的輸出產(chǎn)生所需高壓的電壓倍增級(jí)。由于象絕緣要求、工作頻率、電壓倍增器的典型輸入(例如，25V)所要求的電壓倍增器中大量的倍壓級(jí)、以及電源電子線路中磁性元件(電感器和變壓器)的大小這些因素，通常，航空航天應(yīng)用的高壓電源尺寸都很大，一般大于0.5立方英尺。而且，由于連續(xù)的倍壓級(jí)的工作特性的緣故，在負(fù)載下常常增大輸出電壓脈動(dòng)和電壓降。
發(fā)明慨述本發(fā)明的一個(gè)方面針對(duì)高壓電源。根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明針對(duì)連續(xù)可變的高壓電源。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高壓電源包括功率比例換算部分、推挽變換器以及電壓倍增器，所述功率比例換算部分接收輸入電壓信號(hào)并將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可控DC電壓；所述推挽變換器用于將可控DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻波；而所述電壓倍增器接收由推挽變換器產(chǎn)生的高頻波并執(zhí)行連續(xù)的倍增操作以便產(chǎn)生高壓DC輸出。本發(fā)明的另一方面針對(duì)提供高壓電源的方法。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的提供高壓電源的方法包括接收輸入電壓信號(hào)，并在功率比例換算部分將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可控DC電壓；使用推挽變換器將可控DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻波；以及接收由推挽變換器產(chǎn)生的高頻波，并執(zhí)行連續(xù)的倍壓操作，產(chǎn)生高電壓DC輸出。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明從以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的說(shuō)明，對(duì)本發(fā)明的更加完整的理解將變得更加清楚，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高壓電源系統(tǒng)的功能方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源電子線路模塊的功能方框圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的高壓電源系統(tǒng)的電源電子線路模塊的原理說(shuō)明圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的高壓電源系統(tǒng)的電壓倍增器模塊的原理說(shuō)明圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高壓電源的電源電子線路控制模塊的功能方框圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的高壓電源系統(tǒng)的電源電子線路控制模塊的原理說(shuō)明圖；圖7A-7E圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的高壓電源的電路板互連配置；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案的電壓倍增器絕緣系統(tǒng)的截面圖；以及圖9是根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的高壓電源的電壓倍增器的倍壓級(jí)布局的原理說(shuō)明圖。
詳細(xì)說(shuō)明參照附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見(jiàn)。
圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的原理的高壓電源(HVPS)10的功能方框圖。一般地說(shuō)，HVPS 10將DC(直流)或AC(交流)電壓轉(zhuǎn)換成隔離的、高精度的、連續(xù)可調(diào)的高DC電壓(例如，大約幾十千伏(KV))。根據(jù)本發(fā)明的原理配置的電源10可以具有高達(dá)0.6KV/in3(立方英寸)的KV/體積和高達(dá)30KV/1b(磅)的KV/重量?？梢詫㈦娫醋匀焕鋮s(例如，對(duì)流冷卻)并在寬的環(huán)境條件下(例如，從海平面上到外層空間)工作。
圖1中示出的HVPS 10包括三個(gè)主要模塊電源電子線路模塊100；電壓倍增器模塊200；以及電源電子線路控制模塊300。電源電子線路模塊100將輸入的AC或DC電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)節(jié)的DC電壓，然后，將可調(diào)節(jié)的DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻波，在最佳實(shí)施例中所述高頻波是方波，其振幅可調(diào)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，由電源電子線路模塊100產(chǎn)生的高頻波具有比大約20KHz更高的頻率。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，由電源電子線路模塊100產(chǎn)生的高頻波具有大約100KHz的頻率。電源電子線路模塊100以高頻工作，減少了對(duì)體積龐大而且沉重的電抗元件的需求。此外，高頻工作提高了HVPS 10的功率密度并且由于以下詳細(xì)討論的原因而減小了負(fù)載條件下輸出電壓的脈動(dòng)和電壓降。電源電子線路模塊100的高頻變壓器提供了輸入和輸出之間的隔離。
電壓倍增器模塊200將電源電子線路模塊100輸出的高頻波轉(zhuǎn)換成高壓。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，電壓倍增器模塊200能夠輸出高達(dá)大于大約1KV DC的可調(diào)電壓。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，電壓倍增器模塊能夠輸出高達(dá)大約30KV DC的可調(diào)電壓。使用更大數(shù)目的倍壓級(jí)，可以進(jìn)一步提高HVPS 10輸出的上限。為電壓倍增器模塊200提供絕緣系統(tǒng)250。絕緣系統(tǒng)250(下面將詳細(xì)討論)允許小體積中的高電壓?？刂颇K300根據(jù)模擬或數(shù)字指令信號(hào)以閉環(huán)形式調(diào)整電源電子線路模塊100的輸出波的振幅。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，電源電子線路模塊100接收功率信號(hào)(例如，28V DC)和表示連續(xù)可變高壓電源輸出電壓(例如，在0至30KV范圍的DC)的可變指令信號(hào)(例如，0-10V DC)。在電源電子線路模塊100中，使用所謂”補(bǔ)償變換器”將輸入電壓變換成隨所需輸出電壓而變的可控DC電壓。然后，推挽變換器用于將所述電壓變換成高頻波電壓(例如，具有振幅大約為0至1KV的方波)。使用電源電子線路模塊100和電源電子線路控制模塊300之間的反饋信號(hào)，閉環(huán)控制系統(tǒng)確保HVPS 10的輸出電壓遵循所述指令。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源電子線路模塊100的功能方框圖。正如在圖2中所見(jiàn)，電源電子線路模塊100包括功率比例換算部分130；推挽變換器140；以及電源部分120。功率比例換算部分130是補(bǔ)償變換器，它接收輸入功率信號(hào)(例如，28V DC)和表示所需高壓電源輸出電壓的比例控制信號(hào)。功率比例換算部分130包括開(kāi)關(guān)元件Q1，通過(guò)從電源電子線路控制模塊300接收的開(kāi)關(guān)選通信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)元件Q1的接通/斷開(kāi)，以便將輸入功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成可控DC電壓(例如，0至28V范圍內(nèi)的電壓)。
使用下面將更詳細(xì)討論的高頻變壓器配置，推挽變換器140將功率比例換算部分130的輸出轉(zhuǎn)換成高頻波電壓(例如，具有0-1KV峰值的電壓)。根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案，由推挽變換器140產(chǎn)生的高頻波是方波，從而便于后面的電壓倍增并改善了穩(wěn)定性，包括HVPS 10的低電壓降和脈動(dòng)電平。推挽變換器140提供絕緣以及輸入和輸出之間的電壓遞增。由推挽變換器140輸出的高壓使電壓倍增器模塊200可以利用較少的倍壓級(jí)實(shí)現(xiàn)所需的輸出電壓范圍。例如，如果HVPS 10的最大所需輸出電壓為30KV DC，推挽變換器輸出0至1KV，那么電壓倍增器就可以用16個(gè)倍增級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所述實(shí)現(xiàn)方案中，提供額外的倍壓級(jí)補(bǔ)償每一個(gè)電壓倍增級(jí)上的二極管兩端的電壓降，補(bǔ)償負(fù)載的電壓降，以便保證在整個(gè)輸出負(fù)載范圍內(nèi)能夠獲得30KV DC的輸出電壓，30KV DC的輸出電壓可能會(huì)在電壓倍增器模塊的每一級(jí)上引起損耗。在下面討論的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，所述各倍壓級(jí)被分配到兩塊電路板(例如，每快電路板8級(jí))。
電源部分120接收輸入功率信號(hào)，并為電源電子線路控制模塊300的各種不同的電路產(chǎn)生電源電壓(例如，5V、15V)。電源部分120是任選的組成部分，在這種情況下，電源電壓可以由外部提供。
圖3圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案的電源電子線路模塊100的示意的細(xì)節(jié)，包括功率比例換算部分130、推挽變換器140和電源部分120的示范性實(shí)現(xiàn)方案細(xì)節(jié)。正如在圖3中可見(jiàn)，功率比例換算部分130的示范性實(shí)現(xiàn)方案(通過(guò)連接件P、N)連接成接收輸入功率信號(hào)，所述輸入功率信號(hào)在圖3的示范性實(shí)現(xiàn)方案方案中是DC功率信號(hào)。功率比例換算部分130包括開(kāi)關(guān)元件Q1(例如，IRF 530 MOSFET)，控制開(kāi)關(guān)元件Q1的占空因數(shù)，可以根據(jù)從電源電子線路控制模塊300接收的開(kāi)關(guān)選通信號(hào)G1P來(lái)按比例變換輸入電壓。圖3所示的功率比例換算部分130包括將選通信號(hào)G1P應(yīng)用于開(kāi)關(guān)元件Q1的電阻器R1和R2。功率比例換算部分130還包括濾波裝置，它包括電感器L1以及電容器C7和C8，用于對(duì)按比例變換的輸出電壓進(jìn)行平滑/濾波；以及RC配置，它包括電阻器R4、R5和電容器C11，用于產(chǎn)生表示功率比例換算部分130的輸出的反饋信號(hào)VF，所述反饋信號(hào)VF被反饋給電源電子線路控制模塊300。電阻器R4、R5起分壓器作用，產(chǎn)生反饋信號(hào)VF，電容器C11對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波。功率比例換算部分130還包括電容器C1、C3和二極管D2，所述電容器C1和C3用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波，以便減小輸入電壓的噪音，二極管D2是用于圖3的補(bǔ)償變換器裝置的續(xù)流二極管。
推挽變換器140包括高頻變壓器T1(例如，匝數(shù)比為1∶1∶36的變壓器)和一對(duì)開(kāi)關(guān)Q1和Q2，所述高頻變壓器提供輸入和輸出之間的電壓隔離和遞增，根據(jù)接收的電源電子線路控制模塊300的開(kāi)關(guān)選通信號(hào)G2P和G3P來(lái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)Q1和Q2。開(kāi)關(guān)Q1和Q2可以是以高速率(例如，100KHz)轉(zhuǎn)換的MOSFET類(lèi)型的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(例如IRF 530)。
這樣，與變壓器T1的初級(jí)繞組連接的開(kāi)關(guān)Q2和Q3就將高頻電壓提供給變換器，高頻電壓由變壓器T1升壓，以便輸出給電壓倍增器模塊200。推挽變換器140還包括以下配置用于向開(kāi)關(guān)Q2提供開(kāi)關(guān)選通信號(hào)的電阻器R6、R7和用于向開(kāi)關(guān)Q3提供開(kāi)關(guān)選通信號(hào)的電阻器R10、R11。
根據(jù)圖3的實(shí)現(xiàn)方案的電源部分120包括第一電壓供給部分122和第二電壓供給部分124。如圖3中所示，第一電壓供給部分122可以使用15V穩(wěn)壓器U1(例如，7815集成電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3中第一電壓供給部分122的簡(jiǎn)圖包括用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波的電容器C2；用于對(duì)15V穩(wěn)壓器U1的輸出電壓進(jìn)行濾波的電容器C4和C5；以及作為旁路二極管的反饋二極管D1。第二電壓供給部分124可以使用5V穩(wěn)壓器U2(例如，7805集成電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3中第二電壓供給部分124的簡(jiǎn)圖包括用于輸入濾波和輸出濾波的電容器C6和C9；以及旁路二極管D4。用于圖3中說(shuō)明的示范性實(shí)現(xiàn)方案的電源模塊120還包括第三電壓供給部分126，后者向功率比例換算部分130的開(kāi)關(guān)元件Q1提供15V隔離電壓。第三電壓供給部分126包括隔離的DC到DC的變換器U3(例如，AA5-15集成電路)和濾波電容器C10、C12、C13。
圖4說(shuō)明電壓倍增器200的實(shí)施例的電路配置。電壓倍增器包括多個(gè)倍壓級(jí)210-1、210-2、...、210-n，其中每一個(gè)倍壓級(jí)包括多個(gè)電容器和二極管。如在圖4中看到的，每一個(gè)倍壓級(jí)包括兩個(gè)分路，每一個(gè)分路具有一對(duì)二極管。本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員將明白，倍壓級(jí)數(shù)目和各個(gè)元件的值將控制電壓倍增。例如，在一種配置中，電容器可以具有0.1微法拉的值，并可以配置16級(jí)(例如，分配到兩個(gè)電路板中)，當(dāng)輸入給電壓倍增器模塊200的波形最大峰值為1KV時(shí)，就允許倍增到30KV DC。本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員將明白，將需要根據(jù)所需的輸出電壓電平來(lái)選擇元件和倍壓級(jí)數(shù)目的其它額定值。
圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電源電子線路控制模塊300的功能方框圖。如圖5中所見(jiàn)，電源電子線路控制模塊300包括用于產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘發(fā)生器310；用于為電源電子線路模塊100的推挽變換器140的開(kāi)關(guān)Q2和Q3產(chǎn)生開(kāi)關(guān)選通信號(hào)的變換器選通信號(hào)發(fā)生器320；以及用于產(chǎn)生電源電子線路模塊100的功率比例換算部分130的開(kāi)關(guān)Q1的開(kāi)關(guān)選通信號(hào)的比例換算部分選通信號(hào)發(fā)生器330。比例換算部分選通信號(hào)發(fā)生器330根據(jù)表示所需輸出電壓和功率比例換算部分130的反饋VF信號(hào)的指令信號(hào)，控制功率比例換算部分130的開(kāi)關(guān)Q1的占空因數(shù)，所述反饋VF信號(hào)表示輸出給推挽變換器140的換算電壓幅度。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)現(xiàn)方案的電源電子線路控制模塊300的原理說(shuō)明圖。在圖6中，利用”或非”門(mén)序列U1A、U1B、U1C和U1D(例如，雙輸入”或非”門(mén)CMOS集成電路序列(4001))來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘發(fā)生器310，產(chǎn)生門(mén)時(shí)鐘信號(hào)Dr2和Dr3。由”或非”門(mén)U1C輸出的門(mén)時(shí)鐘信號(hào)Dr2與”或非”門(mén)U1D輸出的門(mén)時(shí)鐘信號(hào)Dr3的相位相差180度，以便驅(qū)動(dòng)推挽變換器140的開(kāi)關(guān)元件Q2、Q3，使得一次只有一個(gè)開(kāi)關(guān)元件接通。時(shí)鐘發(fā)生器310還包括用于按照Dr2、Dr3產(chǎn)生脈沖頻率的電路，所述電路包括電容器C1；電阻器R1、R2、R3；以及二極管D1。
可以使用高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器(例如，IR 2125集成電路)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖6中的變換器的選通信號(hào)發(fā)生器320。第一驅(qū)動(dòng)器322根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)Dr2產(chǎn)生門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)G2P，第二驅(qū)動(dòng)器電路324根據(jù)接收的時(shí)鐘發(fā)生器310的時(shí)鐘信號(hào)Dr3產(chǎn)生門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)G3P。圖6中的比例換算部分選通信號(hào)發(fā)生器330包括控制電路334，所述控制電路334根據(jù)輸入的指令電壓Vcmd和功率比例換算部分130的反饋信號(hào)VF產(chǎn)生比例控制信號(hào)Dr1。在圖6說(shuō)明的實(shí)現(xiàn)方案中，控制電路334包括產(chǎn)生Dr1的轉(zhuǎn)換模式電源控制器集成電路(例如，TL 494集成電路)?？刂齐娐?34包括外部元件，后者包括芯片生產(chǎn)產(chǎn)家推薦的各種電阻器和電容器并用于確定PWM操作的開(kāi)關(guān)頻率。高速M(fèi)OSFET功率驅(qū)動(dòng)器336根據(jù)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)Dr1，為功率比例換算部分130的開(kāi)關(guān)Q1產(chǎn)生開(kāi)關(guān)選通信號(hào)G1P?？梢允褂帽娝苤募呻娐?例如，IR 2125高速功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)器336。圖6中說(shuō)明的電源電子線路控制模塊330還包括控制增益元件332，所述控制增益元件包括為控制電路334產(chǎn)生控制信號(hào)的電阻器R8-R11和晶體管Q1的配置?？刂圃鲆嬖?32接收外部指令電壓Cmd并產(chǎn)生Vcmd，在所述實(shí)現(xiàn)方案中，Vcmd是相對(duì)于Cmd按比例變換后的電壓。作為對(duì)功率比例換算部分130的輸出電壓的閉環(huán)控制的一部分，進(jìn)行所述按比例變換，以便于在指令信號(hào)和反饋信號(hào)VF之間進(jìn)行比較?？刂圃鲆嬖?32還設(shè)置了控制電路334(Vdtc輸入)的空閑時(shí)間控制功能。
圖3、4和6圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的示意的細(xì)節(jié)。正如本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員將明白的，所示的專(zhuān)用元件和數(shù)值可以用相同的功能元件和合適的組合代替，以達(dá)到相同的功能結(jié)果(例如，晶體管類(lèi)型可以更換)。而且，幾個(gè)元件或元件組合的功能可以合并成單個(gè)元件(例如，應(yīng)用專(zhuān)用的集成電路(ASIC)、混合裝置等)。另外，方案的功能部分可以由其它系統(tǒng)提供。例如，電源部分120可以由合適的外部電源代替。正如所示電路說(shuō)明的，本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員將明白，各種電路的配置可以用于實(shí)現(xiàn)相似的功能。
圖7A-7E(總體稱(chēng)作為”圖7”)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明示范性實(shí)現(xiàn)方案的HVPS 10的電路板互連配置。在所述實(shí)現(xiàn)方案中，第一電路板(電路板1)安裝了與電源電子線路控制模塊300相關(guān)的電路，第二電路板(電路板2)安裝有與電源電子線路模塊100相關(guān)的電路。與電壓倍增器模塊200相關(guān)的電路被分配在兩塊附加的電路板(電路板3、電路板4)中。圖7中說(shuō)明的實(shí)現(xiàn)方案的電路板使用了多個(gè)跳線J1-J6，以便提供各種不同的電路板和外部連接件之間的連接。在圖7中說(shuō)明的電路板配置中，控制板(電路板1)和電源電子線路板(電路板2)設(shè)置在電壓倍增器板(電路板3、4)的下面。電路板1和電路板2之間的間距可以大大小于電路板3和電路板4之間的間距(例如，與電路板3和電路板4之間的大約2.0cm的間距相比約為0.5cm間距)。電路板2和電路板3之間的間距至少應(yīng)該盡可能大于電路板3和電路板4之間的間距。
圖8圖解說(shuō)明用于為根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)方案的電壓倍增器模塊200的電路板提供改進(jìn)的絕緣的絕緣系統(tǒng)250。絕緣系統(tǒng)250通過(guò)控制多層絕緣系統(tǒng)中的電場(chǎng)來(lái)提高擊穿電壓的幅度。絕緣系統(tǒng)250由n個(gè)絕緣層252-1、...、252-n和m個(gè)置于連續(xù)的絕緣層之間的非常薄(例如，小于約1mm)的導(dǎo)電帶254-1、...、254-m構(gòu)成。252-1、...、252-n中的每一層都由合適的絕緣材料(例如，聚合絕緣材料)構(gòu)成。導(dǎo)電帶254-1、...、254-m中的每一個(gè)的寬度用Ka表示，每一個(gè)絕緣層的厚度用b表示，復(fù)合的絕緣系統(tǒng)250的寬度用A表示，復(fù)合絕緣系統(tǒng)的厚度用B表示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在電壓倍增器板(例如，圖7中的電路板3和4)的兩面都設(shè)置有倍增器絕緣復(fù)合層。
在每一層252中，導(dǎo)電帶254-1、...、254-m都相對(duì)于相鄰層的導(dǎo)電帶對(duì)稱(chēng)地移動(dòng)恒定距離，所述距離由使絕緣層耐壓最高的移動(dòng)因數(shù)確定。復(fù)合絕緣體中的電位分布可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的Laplace方程的解來(lái)確定，以便降低電場(chǎng)。絕緣系統(tǒng)250的基本原理在標(biāo)題為”Design of Field-Controlled Multilayer InsulationSystem”，IEEE Transactions on Electrical Insulation，Vol.E1-21，No.2，April 1986，的論文中作了詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)引用全部結(jié)合在本說(shuō)明書(shū)中。應(yīng)該明白，絕緣系統(tǒng)250的參數(shù)(例如，n和m)將取決于具體的應(yīng)用和HVPS 10的特性。
如圖9所示，為了改善熱耗散并且能夠在給定區(qū)域布置更多的電壓倍增器電容器，本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)方案將級(jí)聯(lián)的倍壓級(jí)電容器410布置成與二極管420有關(guān)的鋸齒形圖案。通過(guò)把絕緣和這里說(shuō)明的熱控制技術(shù)相結(jié)合，可以減小電壓倍增器板之間的元件的空間和間隙，從而減小HVPS 10的尺寸。
已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例和示范性實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，下面將說(shuō)明這些實(shí)施例和示范性實(shí)現(xiàn)方案的特征和優(yōu)點(diǎn)。正常情況下，在高壓電源的應(yīng)用中，正弦波用作電壓倍增器的輸入。不能直接產(chǎn)生高頻正弦波，而產(chǎn)生高頻方波則沒(méi)有問(wèn)題。而且，如上所述，輸入到電壓倍增器模塊200的方波便于電壓倍增并提高負(fù)載下的HVPS10的穩(wěn)定性。這樣，在最佳實(shí)施例中，HVPS 10使用高頻方波作為電壓倍增器模塊200的輸入。
正常情況下，由于絕緣的需要和需要許多倍壓級(jí)，高壓電源的尺寸是大的。如果試圖使用高壓方波作為通常電源的電壓倍增器的輸入，那么，出現(xiàn)在電壓倍增器的各級(jí)中的高壓方波往往在彼此相對(duì)地具有高的電壓差元件端子之間引起飛弧(火花)。因此，試圖使用高壓方波的高壓電源不可能使尺寸做得很小。本發(fā)明的HVPS 10在一塊小板上使用高壓電平的高頻方波。
使用高頻工作的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減小磁性元件(即，推挽變換器中的絕緣/升壓變壓器和補(bǔ)償變換器中的電感器)。正如從下面的討論中將看到的，使用高頻工作的另一個(gè)原因是減小輸出電壓的脈動(dòng)和負(fù)載的電壓降。
輸出電壓的脈動(dòng)由以下公式給定δV=IfCn(n+1)4=q2(1C1+2C2+···+nCn)]]>(公式1)其中，n為電壓倍增器中的倍壓級(jí)數(shù)目，q為每個(gè)周期中從電容器轉(zhuǎn)移到負(fù)載的電荷。設(shè)C1＝C2＝...＝Cn，則輸出電壓的脈動(dòng)變?yōu)?amp;delta;V=qCn(n+1)4=IfCn(n+1)4]]>(公式2)正如所見(jiàn)，隨f的增加，δV將減小。這就是高頻工作的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
由從電容器吸取并轉(zhuǎn)移到負(fù)載上的電流引起的負(fù)載的輸出電壓降(ΔV0)由下式給出ΔV0=IfC(2n33+2n22+···-n3)]]>(公式3)對(duì)于n＞5的條件下，上述關(guān)系可以簡(jiǎn)化為ΔV0≅IfC2n33(n>5)]]>(公式4)或ΔV0≅qC2n33(n>5)]]>(公式5)正如從公式可看到的，隨f的增加，ΔV0將減小，結(jié)果，最大輸出電壓將增大。最大輸出電壓由下述方程給出V0，max＝n(2Vmax，noload)-ΔV0(公式6)在本發(fā)明的HVPS 10中，通過(guò)印刷電路板和絕緣設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案來(lái)解決由使用高頻方波引起的飛弧的電壓?jiǎn)栴}。關(guān)于絕緣來(lái)說(shuō)，可以使用利用絕緣材料的整體而不是其表面的磁場(chǎng)可控型介質(zhì)材料。已知所述絕緣體具有所述表面的絕緣強(qiáng)度的至少10倍的絕緣強(qiáng)度。因此，可以奇跡般地減小裝有電壓倍增器的電路板的尺寸。利用絕緣層的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，就可以強(qiáng)制電場(chǎng)穿透絕緣強(qiáng)度很高的材料，而不是停留在表面上。
電源電子線路控制模塊300具有兩個(gè)主要任務(wù)。第一個(gè)主要任務(wù)是根據(jù)指令信號(hào)(例如0至10V DC之間的模擬指令信號(hào))，控制所述補(bǔ)償變換器從源電壓產(chǎn)生按比例變換的電壓。閉環(huán)控制通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET開(kāi)關(guān)的占空因數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)償變換器輸出電壓幅度，以便根據(jù)指令信號(hào)把電源的高壓輸出控制在0至30KV之間。電源電子線路控制模塊300的第二個(gè)主要任務(wù)是產(chǎn)生推挽變換器的MOSFET開(kāi)關(guān)的門(mén)脈沖。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中，這些開(kāi)關(guān)以50％的占空比和100KHz的轉(zhuǎn)換頻率工作。在一個(gè)最佳實(shí)施例中，選擇模擬控制來(lái)控制補(bǔ)償變換器，以便利用它的高速特性的優(yōu)點(diǎn)(即在輸入指令的毫秒級(jí)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓)。為了實(shí)現(xiàn)在100KHz的轉(zhuǎn)換率下使用數(shù)字控制的參考跟綜，需要一個(gè)大的且昂貴的微控制器或DSP板。模擬控制可以在合理的尺寸和成本上保證十分良好的結(jié)果。
本發(fā)明的HVPS 10的特征在于小尺寸和重量(尺寸5cm×10cm×15cm，重量＜500克)。由于在電壓倍增器模塊200中使用了絕緣系統(tǒng)250，所以可以奇跡般地減小安裝有倍壓級(jí)的印刷電路板的尺寸和間隙。由于有限的絕緣強(qiáng)度和傳統(tǒng)的絕緣設(shè)計(jì)不允許使用小尺寸的電路板和間隙，所以現(xiàn)有使用由電容器和二極管構(gòu)成的電壓倍增器的高壓電源的尺寸很大。而且，由于工作在高轉(zhuǎn)換頻率的緣故，磁性部件的尺寸和重量(補(bǔ)償變換器的電感和推挽變換器的變壓器)也大大地減小了。為高壓電源尺寸和重量的減小作出貢獻(xiàn)的第三因素是電源可以自然冷卻，除了開(kāi)關(guān)元件使用的散熱片以外，不需要任何附加的冷卻機(jī)構(gòu)(例如，風(fēng)扇)。
如上所述，HVPS可以安裝在各種各樣的環(huán)境中，例如，MIL-E-5400要求的環(huán)境，它確定設(shè)備在所述環(huán)境條件下必須工作的環(huán)境條件(包括設(shè)備可能遇到的環(huán)境溫度和壓力范圍)，或者環(huán)境溫度高達(dá)70℃的不加壓的環(huán)境。工作的海拔高度可以從海平面至16000米變化。
權(quán)利要求
1.一種高壓電源(10)，它包括功率比例換算部分(130)，它接收輸入電壓信號(hào)，并將所述輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成可控DC電壓；推挽變換器(140)，用于將所述可控DC電壓轉(zhuǎn)換成高頻波；以及電壓倍增器(200)，它接收由所述推挽變換器(140)產(chǎn)生的所述高頻波，并執(zhí)行連續(xù)的倍壓操作以便產(chǎn)生高壓DC輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中還包括控制模塊(300)，用于控制所述功率比例換算部分(130)和所述推挽變換器(140)。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓電源(10)，其中，所述功率比例換算部分(130)包括開(kāi)關(guān)元件(Q1)、所述開(kāi)關(guān)元件(Q1)的占空因數(shù)控制所述可控DC電壓幅度，以及所述控制模塊(300)將門(mén)轉(zhuǎn)換信號(hào)作為所述高壓電源(10)的所需輸出電壓的函數(shù)，輸出給所述功率比例換算部分(130)的所述開(kāi)關(guān)元件(Q1)。
4.如權(quán)利要求3所述的高壓電源(10)，其中，所述控制模塊(300)接收基于所述功率比例換算部分(130)的輸出的反饋信號(hào)，以便調(diào)節(jié)所述門(mén)轉(zhuǎn)換信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中，所述高頻波是方波。
6.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中，所述高頻波的頻率是大約100KHz。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中，所述可控DC電壓處于大約0至28KV的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中，所述電源產(chǎn)生在大約0至30KV范圍內(nèi)的DC輸出電壓。
9.如權(quán)利要求2所述的高壓電源(10)，其中，所述控制模塊(300)是模擬控制器。
10.如權(quán)利要求1所述的高壓電源(10)，其中，所述電壓倍增器(200)包括電路板上的多個(gè)倍壓級(jí)(210-1、...、210-n)，并且所述高壓電源(10)還包括與所述電路板相關(guān)聯(lián)的絕緣系統(tǒng)(250)。
11.如權(quán)利要求10所述的高壓電源，其中，所述絕緣系統(tǒng)(250)是具有n個(gè)絕緣層和設(shè)置在個(gè)連續(xù)的絕緣層之間的m個(gè)導(dǎo)電帶的多層系統(tǒng)。
12.如權(quán)利要求10所述的高壓電源，其中，所述絕緣系統(tǒng)(250)是控制電場(chǎng)的多層絕緣系統(tǒng)。
13.如權(quán)利要求10所述的高壓電源(10)，其中，所述多個(gè)倍壓級(jí)(210-1、...、210-n)被分配在與所述功率比例換算部分(130)和所述推挽變換器(140)分離的多個(gè)電路板中。
14.如權(quán)利要求10所述的高壓電源(10)，其中，所述多個(gè)倍壓級(jí)(210-1、...、210-n)包括布置成鋸齒形圖案的電容器(410)。
15.一種提供高壓電源的方法，所述方法包括接收輸入電壓信號(hào)并且將所述輸入電壓信號(hào)按比例變換為可控DC電壓；將所述可控DC電壓轉(zhuǎn)換為高頻波；以及對(duì)由所述轉(zhuǎn)換步驟產(chǎn)生的所述高頻波執(zhí)行電壓倍增以便產(chǎn)生高壓DC輸出。
全文摘要
一種高壓電源(10)包括功率比例換算部分(130)、推挽變換器(140)和電壓倍增器(200)，功率比例換算部分接收輸入電壓信號(hào)并將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控DC電壓；所述推挽變換器用于將可控DC電壓轉(zhuǎn)換為高頻波；所述電壓倍增器接收由推挽變換器(140)產(chǎn)生的高頻波并執(zhí)行連續(xù)的倍壓操作，產(chǎn)生高壓DC輸出。在一種實(shí)現(xiàn)方案中，電壓倍增器(200)接收頻率大約為100KHz的方波并輸出大約為0至30KV的可調(diào)節(jié)DC電壓。在一種實(shí)現(xiàn)方案中，高壓電源(10)包括電壓倍增器模塊(200)的絕緣系統(tǒng)(250)，所述絕緣系統(tǒng)形成在n個(gè)絕緣層和設(shè)置在循序的各絕緣層之間的m個(gè)導(dǎo)電帶上。
文檔編號(hào)H02M7/10GK1732615SQ200380107667
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2003年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
發(fā)明者M·薩拉馬, C·H·林, M·卡澤拉尼 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司