300kV小型高压电源设计
摘 要 高压开关电源在现代科学技术和生产生活中应用十分广泛，在医疗、光学、工业射线检测和军事等领域的仪器中更是不可缺少的核心部件。随着电子技术的高速发展，人们对高压电源的便携程度、高效性和功率大小提出了更高的要求。本文介绍了一种采用可控硅逆变原理，PLC智能化控制的高压开关电源。电源输出0-300kV连续可调，电流0-3mA。该电源具有通用性强，结构简单，操作方便，带载能力强等多方面优点，具有一定的实用价值。
【关键词】高压电源 可控硅 PLC
高压开关电源作为电力电子仪器的核心部件广泛应用于军事、医疗、探测等各个领域。随着逆变技术的发展，高压开关电源因其转换效率高、输出稳定、重量轻等多方面优点正在逐步取代传统线性高压电源。本文采用PLC控制和可控硅逆变技术研制出了一种智能化、转换效率高、输出稳定、调试方便的300kV3mA小型高压电源。
1 高压电源主电路工作原理
高压电源主电路工作原理如图1所示。电源的工作原理为：供电单元将市电变为可调直流电，对电源各个部分进行供电。功率转换单元将输入的直流电转换为高频交流电。转换的高频交流电经过变压器进行一次升压，再通过倍压整流电路得到直流高压后进行输出。采样单元为电压采样电路，将采样电路采集到的电压值经过AD转换后反馈到PLC控制单元，与设置電压相比较，利用PID进行稳压调节，保证电路正常工作。脉冲控制单元由TL494及周围器件所组成。功率转换单元由可控硅及其他元件组成，高频变压器磁芯材质选择铁氧体，倍压整流单元采用半臂逆对称式倍压整流电路。图2给出的是不同条件下可控硅阳极的工作波形。
由TL494及其周围元件组成的脉冲控制单元产生约30kHz的触发脉冲加至可控硅的门极，当脉冲电压为高电平时，可控硅导通，电流经由变压器初级线圈通过可控硅流向地，电能转变为磁能储存在变压器中。当脉冲电压为低电平时，可控硅截止，储存在初级线圈中的能量通过二极管对电容进行充电，这就是一个完整的高频振荡周期。
倍压整流电路采用半臂逆对称式，图3给出的是倍压整流电路的原理图。当B为正极、A为负极时，即电流从B流向A时，二极管D1导通、D2截止，电源通过D1向电容C1充电，在理想的情况下，在此半周内，D1可以看成为短路，同时C1充电达到Vm电压值。当B为负极、A为正极时，即电流从A流向B时，二极管D1截止、D2导通，电源通过C1、D1向C2充电，由于C1的Vm再加上变压器次级线圈的Vm使C2充电至最高值2Vm。在整个过程中，C2的电压值并无法在一个半周内立即充至2Vm，它必须在几个周期以后才可以渐渐趋近于2Vm。
理想情况下，倍压整流电路输出端的电压为：
2 PLC控制原理
PLC功能全面、实用性高、组合多样。其所具有的功能和各种智能单元、扩展单元及其特殊功能模块，可按照各种需要，方便灵活地组成各种不同要求和规模的控制系统。
PLC设计流程如图4所示，主要包括：高压PID程序、触摸屏程序、DA输出程序、AD采样程序和保护程序。系统工作流程如下：首先系统初始化，通过触摸屏输入设定值，PLC控制系统经过运算利用DA输出控制直流可调稳压开关电源进行输出，通过高压发生电路得到电压信号，在输出端串联采样电阻进行采样，采到的电压值通过隔离器反馈到PLC，PLC将反馈进来的信号值与设定值进行比较。利用高压PID算法来实现闭环的稳压稳流控制。当反馈信号值出现异常时，立即启动保护程序，使DA输出强制归零，可以实现电源系统的过压过流保护功能。
3 测试结果
在测量电阻为6000MΩ，负载为100MΩ的条件下，我们对高压电源的输出性能进行了测试，电源输出特性如图5所示。
电源的纹波系数为：
高压电源输出连续可调，电源的纹波系数小于0.5%；效率大于85%。
4 结语
本文研制的高压开关电源，采用可控硅功率转换电路，PLC智能控制，具有结构简单，带载能力强的特点。主要性能指标如下：
输出高压：0-300kV；
输出电流：0-3mA；
工作效率：85%以上；
工作频率：30kHz；
纹波系数：0.5%以下；
将本电源作为X射线分析仪器的供电电源，经过多次试验，具有智能化程度高、输出稳定可靠、操作方便、便于携带等优点，说明本文所研制的300kV高压电源设计方案具有较高的实用价值。
（通讯作者：邓玉福）
参考文献
[1]郑宝华，程德福，修连存.X射线衍射仪3kW高频高压电源设计[J].电源技术与应用，2008（10）：71-77.
[2]肖如泉，王琰，曾嵘等.60kV开关型直流高压电源[J].电源技术与管理，1999，16（03）：38-41.
[3]刘宏军.250KV便携式高压电源的设计[D].沈阳：沈阳师范大学，2013：27-38.
[4]孟繁荣.高压开关电源设计[D].哈尔滨工程大学，2006：34.
[5]胡素华，余增亮，王绍虎，叶是杰，连燕国，黄建荣.200kV高压直流开关电源[J].高压电器，2001（04）：26-28+37.
[6]李蜀川，杨忠孝，成友才.倍压整流电路的计算[J].川北教育学院学报，2002（01）：51-54.
[7]张希栋，阎春利.PLC在高压开关设备控制系统中的应用[J].机械设计与制造，2006（01）：150-151.
[8]周林，廖常初. PLC梯形图顺序控制设计法的本质与流程并步[J].机械工业自动化，1995（04）：54-55.
[9]熊幸明.PLC控制系统的可靠性设计[J].自动化与仪表，2004（04）：82-84.
[10]姜海涛，王超.基于PLC的PID控制系统[J].计算机系统应用，2012，21（09）：144-147.
作者简介
丛恩佳（1992-），男，沈阳师范大学物理科学与技术学院。专业为粒子物理与原子核物理。主要研究方向为高压开关电源的设计与研究。
作者单位
沈阳师范大学物理科学与技术学院 辽宁省沈阳市 110034
