一種大功率線性輸出高壓穩壓裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種大功率線性輸出高壓裝置及方法。包括依次連接的弦波發生電路、正弦波幅度放大電路、初級功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過壓過流保護電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。本發明提供了一種高穩定性、高精確率、大功率輸出的大功率線性輸出高壓裝置及方法。
【專利說明】一種大功率線性輸出高壓穩壓裝置及方法【技術領域】[0001]本發明屬電學領域，涉及一種大功率高壓穩壓電源，尤其涉及一種大功率線性輸出高壓裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在用光電倍增管進行光電探測學科和核醫學領域通常使用高壓穩壓電源作為能量激勵。光電倍增管需要高穩定度的高壓穩壓電源作為激勵，才能有效實現光電轉換，當電壓出現波動時，光電倍增管也會出現波動，測試結果不一致。在核醫學領域，通常需要大功率高壓電源實現離子的分離。但由于國內這兩個領域的研究起步晚，與之配套的高性能高壓穩壓電源只能依靠進口，其關鍵技術也處于封鎖狀態。
[0003]目前國內高壓電源主要有兩種:一種是直接對220V市電進行倍壓整流將市電轉換為高壓直流的設備；另一種是用信號發生模塊產生特定頻率的低壓脈沖信號，通過推挽功率放大電路后經升壓變壓器變成高壓交流信號，再通過倍壓整流的方式將高壓交流信號變成直流信號，當需要對輸出電壓進行調節時，通常采用PWM方式對脈沖波的脈寬進行調整而改變輸出直流信號峰值。后者是現階段主流的高壓穩壓電源。
[0004]直接對220V市電進行倍壓整流將市電轉換為高壓直流，這種設備不能避免市電波動的影響，通常市電波動在±10%以內，因此其缺陷是沒有穩壓措施，電源輸出穩定性差。另外，倍壓整流方式的輸出電流能力僅決定于倍壓環節使用電容的容值，通常能夠承受千伏高壓的電容容值不足?ο μ F，最終輸出的電流能力不足1mA，輸出功率很有限。
[0005]用低壓脈沖交流信號功率放大，經升壓變壓再倍壓整流的方式得到高壓直流信號，這種方式雖然能夠對輸入信號可控，避免直接使用市電時的電源波動，但這種電源是通過對脈沖信號采用PWM對脈沖波的脈寬進行調整而改變輸出直流信號峰值和對輸出電壓進行穩壓，是一種開關控制方式，電源輸出紋波很大，對輸出端的負載會有很大影響，尤其是用光電倍增管進行精密探測和核醫學領域研究時，這種紋波效應會嚴重影響測試正確性。再者，其輸出電流決定于功率放大環節電流放大能力、變壓器匝數比和倍壓整流環節使用電容的容值共同決定，輸出電流能力也很有限，目前這種方式實現的高壓穩壓電源在2000V輸出時的最大電流能力為10mA。特別是在醫學領域，時常需要高壓大功率的電源，這種高壓穩壓電源的負載能力會顯得力不從心。
【發明內容】
[0006]為了解決【背景技術】中所存在的技術問題，滿足光電倍增管光電探測和核醫學研究的需求，本發明提出了一種大功率線性輸出高壓裝置及方法。
[0007]本發明的技術方案是:
[0008]1.一種大功率線性輸出高壓穩壓裝置，其特殊之處在于:包括依次連接的弦波發生電路、正弦波幅度放大電路、初級功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過壓過流保護電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。
[0009]上述MCU還與壓控增益調節電路相互連接；所述壓控增益調節電路還分別與手動設置電路和正弦波幅度放大電路相互連接。
[0010]上述推挽功率放大電路由一個NPN大功率三極管和一個PNP大功率三極管組成。
[0011]2.一種大功率線性輸出高壓穩壓方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0012]1】正弦波發生電路產生頻率為200Hz、峰值為2V的正弦波；
[0013]2】正弦波幅度放大電路通過運算放大器對正弦波的幅值進行放大，運放采用±12V供電，壓控增益調節電路改變正弦波幅度放大的增益，幅度調節范圍O~22V ;
[0014]3】壓控增益調節電路由場效應管作為核心，通過改變柵極與源極的電壓值，調節漏極與源極的導通電阻；將該場效應管串入幅值放大電路運放的反饋端，實現壓控增益的調節；
[0015]4】手動設置改變壓控增益調節電路的控制電壓，使正弦波幅度放大電路的幅度放大增益線性改變；
[0016]5】正弦波經幅度放大電路放大后，經初級功率放大電路放大實現電壓和電流的放大；再通過推挽功率放大電路實現對初級功率放大后的正弦波無交越失真的功率放大，電壓放大倍數為1，電流驅動能力達到8A ；
[0017]6】正弦波經推挽功率放大電路后通過升壓變壓器(膽數比為1:100)后，將幅度為A的低壓交流信號升壓至100XA、電流變換為1/100初級電流的高壓交流信號，升壓變壓器在完成升壓的同時，將低壓與高壓部分實現電氣隔離，使其之間不相互影響，同時去除低壓電路部分的直流成分，使其副邊輸出級只有高壓正弦波；
[0018]7】高壓正弦波經高壓整流濾波電路后成為直流電壓；
[0019]8】電壓采樣電路與電源輸出端并聯，通過多個阻值相同的電阻分壓取樣對輸出端的電壓進行采集，并將取樣電壓值經A/D后傳送給MCU ；
[0020]8.1]當輸出端電壓高于設定值，過壓保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的；
[0021]8.2]當輸出端電流高于設定值，過流保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的；
[0022]9】MCU接收來自手動設置數據、電壓采集數據和電流采集數據；當手動設置有效時，MCU接收來自手動設置電路數據，并將設置值送電壓電流顯示電路進行顯示，同時將數據D/A后將電壓值加載在壓控增益調節的電壓控制端控制輸出正弦波的幅值；待手動設置完畢按下輸出按鈕后，MCU接收電壓和電流采集數據，根據PID算法調節壓控增益端的電壓，實現穩壓的目的。
[0023]本發明的有益效果是:
[0024]1.提高穩定性。本發明利用本地產生的正弦波作為源信號，一方面沒有直接使用市電，避免了市電波動引起的不穩定性；另一方面，不存在脈沖信號開關過程引入的無法消除的紋波。
[0025]2.提高精度。本發明加入了壓控增益放大電路，改變壓控增益放大電路的控制電壓，實現對交流電壓的幅值的線性調節，調節精度高。
[0026]3.大功率輸出。本發明采用了 2級功率放大，將正弦信號的峰-峰值放大至66V，驅動電流放大至8A，保證了大功率輸出的前提。
[0027]4.本發明中升壓變壓器初級串接有過壓過流保護電路，當出現過壓和過流情況時，自動切斷變壓器出入，保護了負載。
[0028]5.本發明的升壓變壓器次級輸出交流高壓正弦波經整流后采用電感與電容組成的η型濾波，濾波效果好，輸出功率取決于升壓變壓器的輸入功率，避免了采用倍壓整流方式引起的輸出電流限制。
[0029]6.本發明中在直流高壓輸出級加入電壓采集和電流采集電路，對輸出電壓和負載電流進行采集，并將數據傳送給MCU。
[0030]7.本發明中的MCU集成了 PID算法，將電壓采集和電流采集數據作為反饋，根據計算結果對壓控增益調節電路的控制電壓進行調節，改變正弦信號的幅值，實現閉環精密控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明結構示意圖；
[0032]其中1-弦波發生電路、2-正弦波幅度放大電路、3-初級功率放大電路、4-推挽功率放大電路、5-升壓變壓器、6-高壓整流濾波電路、7-高壓直流輸出接口、8-電流采集電路、9-電壓采集電路、IO-MCUU1-電壓電流顯示、12-壓控增益調節電路、13-手動設置電路、14-過壓過流保護電路。
【具體實施方式】
[0033]參見圖1，一種大功率線性輸出高壓電源，具體實施如下:
[0034](I)正弦波產生電路產生頻率為200Hz、峰值為2V的正弦波；
[0035](2)正弦波放大電路通過運算放大器對正弦波的幅值進行放大，運放采用±12V供電，壓控增益調節電路改變正弦波幅度放大的增益，幅度調節范圍O?22V ;
[0036](3)壓控增益調節電路由場效應管作為核心，通過改變柵極與源極的電壓值，調節漏極與源極的導通電阻；將該場效應管串入幅值放大電路運放的反饋端，即實現了壓控增益的調節；
[0037](4)手動設置改變壓控增益調節電路的控制電壓，使正弦波幅度放大電路的幅度放大增益線性改變；
[0038](5)正弦波經幅度放大電路后，幅度實現O?22V的調節，但由于運放沒有電流驅動能力，此時正弦波只是一個單純的交流電壓信號。該電壓信號經初級功率放大電路放大實現電壓和電流的放大。初級功率放大電路采用大功率三極管作為核心器件，實現正弦波峰-峰值O?66V、驅動電流達到2A的強驅動能力交流信號；
[0039](6)推挽功率放大電路由一個NPN大功率三極管和一個PNP大功率三極管組成，這一對管的性能參數基本一致，實現對初級功率放大后的正弦波無交越失真的功率放大，電壓放大倍數為1，電流驅動能力達到8A ；
[0040](7)經推挽放大后的正弦波通過升壓變壓器(匝數比為1:100)后，將幅度為A的低壓交流信號升壓至100XA、電流變換為1/100初級電流的高壓交流信號，升壓變壓器在完成升壓的同時，將低壓與高壓部分實現電氣隔離，使其之間不相互影響，同時去除低壓電路部分的直流成分，使其副邊輸出級只有高壓交流信號；
[0041](8)高壓正弦波經整流和π型濾波后成為直流電壓；
[0042](9)電壓采樣電路與電源輸出端并聯，通過多個阻值相同的電阻分壓取樣對輸出端的電壓進行采集，并將取樣電壓值經A/D后傳送給MCU ;若輸出端電壓高于設定值，過壓保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的；
[0043](10)電流采樣電路與電源輸出端串聯，通過運放實現電流電壓值轉換，該電壓值經A/D后傳送給MCU ;若輸出端電流高于設定值，過流保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的；
[0044](Il)MCU接收來自手動設置數據、電壓采集數據和電流采集數據；當手動設置有效時，MCU接收來自手動設置電路數據，并將設置值送電壓電流顯示電路進行顯示，同時將數據D/A后將電壓值加載在壓控增益調節的電壓控制端控制輸出正弦波的幅值；待手動設置完畢按下輸出按鈕后，MCU接收電壓和電流采集數據，根據PID算法調節壓控增益端的電壓，實現穩壓的目的；
[0045](12)該發明的設計極限為輸出電壓O?2970V、最大負載電流為80mA，為了留有余量，該發明實際使用的過壓保護設置為2500V、過流保護設置為50mA ;經過實際測試，在2500V高壓輸出、50mA電流負載能力下，紋波< 1.2X 10_5±30mV ;源效應為lX10_5±26mV，負載效應為lXl(T5±50mV。
【權利要求】
1.一種大功率線性輸出高壓穩壓裝置，其特征在于:包括依次連接的弦波發生電路、正弦波幅度放大電路、初級功率放大電路、推挽功率放大電路、升壓變壓器、高壓整流濾波電路、高壓直流輸出接口、及分別與MCU和過壓過流保護電路連接的電流采集電路和電壓采集電路；還包括與MCU相互連接的電壓電流顯示。
2.根據權利要求1所述的一種大功率線性輸出高壓穩壓電源，其特征在于:所述MCU還與壓控增益調節電路相互連接；所述壓控增益調節電路還分別與手動設置電路和正弦波幅度放大電路相互連接。
3.根據權利要求2所述的一種大功率線性輸出高壓穩壓電源，其特征在于:所述推挽功率放大電路由一個NPN大功率三極管和一個PNP大功率三極管組成。
4.一種大功率線性輸出高壓穩壓方法，其特征在于:包括以下步驟: .1】正弦波發生電路產生頻率為200Hz、峰值為2V的正弦波； .2】正弦波幅度放大電路通過運算放大器對正弦波的幅值進行放大，運放采用土 12V供電，壓控增益調節電路改變正弦波幅度放大的增益，幅度調節范圍O~22V ; .3】壓控增益調節電路由場效應管作為核心，通過改變柵極與源極的電壓值，調節漏極與源極的導通電阻；將該場效應管串入幅值放大電路運放的反饋端，實現壓控增益的調節; .4】手動設置改變壓控增益調節電路的控制電壓，使正弦波幅度放大電路的幅度放大增益線性改變； .5】正弦波經幅度放大電路放大后,經初級功率放大電路放大實現電壓和電流的放大；再通過推挽功率放大電路實現對初級功率放大后的正弦波無交越失真的功率放大，電壓放大倍數為1，電流驅動能力達到8A ； .6】正弦波經推挽功率放大電路后通過升壓變壓器(匝數比為1:100)后，將幅度為A的低壓交流信號升壓至100XA、電流變換為1/100初級電流的高壓交流信號，升壓變壓器在完成升壓的同時，將低壓與高壓部分實現電氣隔離，使其之間不相互影響，同時去除低壓電路部分的直流成分，使其副邊輸出級只有高壓正弦波； .7]高壓正弦波經高壓整流濾波電路后成為直流電壓； . 8】電壓采樣電路與電源輸出端并聯，通過多個阻值相同的電阻分壓取樣對輸出端的電壓進行采集，并將取樣電壓值經A/D后傳送給MCU ； .8.1]當輸出端電壓高于設定值，過壓保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的； .8.2]當輸出端電流高于設定值，過流保護電路切斷升壓變壓器初級電壓輸入，達到保護負載端的目的； .9】MCU接收來自手動設置數據、電壓采集數據和電流采集數據；當手動設置有效時，MCU接收來自手動設置電路數據，并將設置值送電壓電流顯示電路進行顯示，同時將數據D/A后將電壓值加載在壓控增益調節的電壓控制端控制輸出正弦波的幅值；待手動設置完畢按下輸出按鈕后，MCU接收電壓和電流采集數據，根據PID算法調節壓控增益端的電壓，實現穩壓的目的。
【文檔編號】H02M7/217GK103501123SQ201310468841
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】龍江波, 趙建科, 段亞軒, 李坤, 昌明, 曹坤 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所