引言

　　高壓電源已經被廣泛地應用，醫學、工業無損探傷、車站、海關檢驗等檢測設備中，也廣泛應用于諸如雷達發射機、電子航空圖顯示器等軍事領域。傳統的高壓電源體積大、笨重，嚴重影響了所配套設備的發展。目前的高壓電源多采用開關電源形式，大大降低了體積重量，增加了功率，提高了效率。特別是高壓小功率開關電源，幾乎都是開關電源結構。本文所討論的高壓小功率開關電源，是為X射線電視透視系統配套設計的。這種系統是對原始X射線設備的改進，它增加一個叫做圖像增強器的設備。這種設備采用電極對電子進行加速和聚焦，因而需要與之相配套的小功率高壓電源。

　　方案選擇

　　小功率高壓電源最常用的例子是電視機的陽極高壓發生器，它將幾十伏的直流電源，通過功率變換和高壓變壓器升壓，再整流濾波，變為高壓輸出；另一個應用實例是負離子發生器，常采用晶閘管調壓方式。以上兩種調壓方式都需要一臺單獨可調的輔助電源，即高、低壓組合方式。這樣便加大了電源的體積和復雜程度。加之，由于電路結構形式的不同，它們的輸出電壓范圍的調節很有限，需要大范圍調節時，只能通過改變供電電壓來實現。而X射線增強器的主路電壓調節范圍近 10kV，上述電路形式很難滿足要求。本文采用的半橋諧振式開關電源，成功地解決了以上問題。

　　技術指標

　　輸入電壓220（1±10%）V，（50±0.5）Hz；或寬范圍輸入電壓180～250V.

　　輸出電壓/電流

　　陽極（正）電壓/電流

　　標稱值+25kV/1mA，

　　電壓范圍+23kV～+32kV；

　　標稱值+7.35kV/200μA，

　　電壓范圍+6.0kV～+7.8kV；

　　標稱值+0.985kV/200μA；

　　電壓范圍+0.8kV～+1.1kV；

　　陰極（負）電壓/電流

　　標稱值-0.75kV/500μA；

　　電壓范圍-0.5kV～-1kV.

　　以上4路電壓連動輸出。

　　穩定度1%.

　　工作溫度范圍0℃～+40℃。

　　存貯溫度范圍-40℃～+55℃。

　　外形尺寸160mm×135mm×43mm.

　　圖像增強器的電極在加工時不可避免存在有毛刺，在高電壓下尖端放電擊穿打火。要把毛刺燒掉，需要有較大的電流。這樣，一方面要求電源輸出功率設計得更要大些，另一方面應有完善的保護措施。

　　系統框圖及工作原理

　　25kV小型化高壓電源的系統框圖如圖1所示。

　　圖1 系統框圖

　　輸入的市電經凈化濾波后整流成300V左右的直流電壓加到半橋電路的MOS管上。控制電路由最常用SG3525芯片組成。控制電路通過高壓部件反饋繞組檢測輸出電壓的變化量，產生激勵脈沖去驅動功率MOS場效應管，實現穩壓輸出。技術難點及解決辦法

　　1、體積與絕緣

　　這種電源是專為X射線增強器配套的，它被安裝在X射線增強器底座下一個狹小的空間，因而要求體積小。體積的減小與電路形式的選擇，電路的性能及絕緣，散熱等問題有直接關系。本電路將功率變換、控制電路等部分和高壓部分分開屏蔽放置，并選擇高強度的絕緣介質填充高壓部分，很好地解決了這個問題。

　　2、高頻高壓變壓器

　　圖2 考慮分布電容的變壓器模型

　　高頻高壓變壓器是高壓電源的核心部件。在低壓（功率）變壓器中，可以不考慮波形的畸變和工作頻帶的問題，因而可以忽略分布電容的影響。在高頻高壓變壓器中，由于匝數增多，特別是次級匝數增多，當變壓器工作頻率比較高和電壓變化率比較大時，必須考慮分布電容和漏感問題。這時，變壓器模型如圖2所示。L1為漏感，Cp和Cs分別為初級和次級的分布電容。變壓器漏感L1和次級分布電容構成了串聯諧振電路。當變壓器次級開路或負載較輕時變壓器可看成電感，因而與次級分布電容Cs構成并聯諧振電路，其等效電路如圖3所示。發生諧振時，電容兩端的電壓會高出工作電壓，也就是說變壓器內部的電壓會高于輸出電壓。這無形中增大了對變壓器的耐壓要求。因而在變壓器的繞制過程中，要盡量減少分布電容和漏感。假設各層電容相等，繞組共有m層，則分布電容Cs=C（C為次級繞組固有電容，N2為次級繞組匝數）。當次級匝數一定時，次級等效到初級的分布電容與次級的層數有關，層數越多分布電容越小。每一層上的匝數越少，分布電容越小。為了減小分布電容，采取分段分組繞制方式，并增加層數，減小每層匝數。變壓器采用馬蹄形鐵氧體磁芯，其繞制示意如圖4所示。

　　圖3 分布電容折合到初級的等效電路

　　圖4 高壓變壓器繞制示意圖

　　3、輸入電壓范圍的調制

　　工作在高頻高壓條件下的小功率電源，輸入電壓范圍的調節會出現困難。不但調整率很差，而且在輸入電壓超過一定值時，電源無輸出，或輸出電壓不穩定。原因是高壓小功率電源的占空比很小，工作時的導通脈寬很窄（呈窄脈沖工作狀態）。當輸入電壓升高時，輸出能量不變，脈沖寬度變窄，幅度加長。輸入電壓升高到一定限度，控制電路呈失控狀態，無法實現有效的閉環控制，導致整個電路關閉。為解決這個問題，經過分析試驗，設計了一個輸入電壓調節電路，如圖5所示。

　　圖5 輸入電壓調節電路

　　它實際上是一個輸入電壓預穩壓電路，輸入電壓經過它，成為基本穩定的電壓，再加到主電路（開關電路）上。

　　經過調試，試驗和長期裝機應用，證明了該電路的穩定與可靠。表1是設置輸入電壓調節電路與沒有設置時的實測數據。為簡化起見，這里只給出輸出主電路（25kV）參數。明顯看出，加了該電路后，輸入電壓調整率大大提高，輸入電壓調節范圍也增至250V.

　　表1 輸入電壓變化對輸出電壓的影響

　　由于上電時，輸入端瞬間沖擊電流很大，對輸入電壓調節電路造成危害。為此，還專門設計了輸入緩沖電路。

　　另外，高壓電源變壓器的變比n大，變壓器次級反饋到初級變化率較小，帶來的問題是穩壓效果不理想。這樣，還設計了輸出電壓預穩壓電路。因篇幅有限，實際電路從略。

　　4、開關電路的仿真實驗

　　圖6 開關電路電原理圖

　　開關級電路原理圖如圖6所示。這里開關級的負載是高頻高壓變壓器，它的輸入特性與負載的特性有關。在高壓小功率應用中，由于輸出電流小，負載電阻大，次級整流二極管的導通角很小。為便于建立仿真模型。可忽略負載電阻的影響。

　　由于應用了仿真技術，大大簡化了實驗過程，降低了設計周期。用PSPICE仿真程序對圖6電路分為輕載10μA和重載1mA兩種情況進行仿真，結果見圖 7（a）和圖8（a）。在以后進行的電路實驗中，實測的電流波形見圖7（b）和圖8（b）與仿真的波形基本相符。另外，從仿真波形還可看到輕載時的浪涌電流峰值較大，與重載時幾乎相等。變壓器空載損耗增加，導致變壓器發熱，這是需要進一步解決的問題。

　　結語

　　經過小批量生產和幾年的裝機使用，證明該電源達到了設計要求，性能穩定、可靠，可以替代同種類產品（例如日本某公司生產的湯姆遜電源）。

　　在X射線增強器生產工序中，需配置一臺大功率的高壓（輸出電壓高達30kV）電源，對半成品進行老化，打毛刺。由于本電源性能已滿足上述要求，可以用來替代這臺大功率電源，既節省了設備，又縮短了生產加工周期。