直流高压电源束流调节保护电路研究_周任晖.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering107随着电力电子技术的快速发展，高压电源已经渗透到生活的各个方面，在医疗、军事、科学、农业等越来越多的领域占据着重要地位1。如今，高压电源正朝着体积更小、开关速度更快、集成度更高、智能化的方向发展，在高压电源不断优化的过程中，需要更多的安全保护措施来提升电源的可靠性能。高压电源加载工作时，由于误操作或放电等原因，会导致过压过流现象击穿元器件、损坏电源等一系列危险情况发生。因此，高压电源系统中保护电路的设计十分重要。本文针对直流高压电源系统，设计了一种束流调节保护电路，当取样信号超过设定值时，保护电路及时切断束流调节器信号源，仪器停止工作，确保整机系统安全。整个保护电路设计结构简单，成本低便于维护，保护阈值参数可任意调节，具有很好的适用性和可靠性。1 高压电源结构高压电源由辅助单元，逆变电路，高频升压器，倍压整流器，控制单元等主要部分组成，高压电源整体结构如图 1 所示。辅助单元的直流电压，经逆变电路、高频升压、倍压整流后得到所需直流高压。辅助单元是利用外部设备提供稳定高效的直流电压，保证系统稳定工作2；逆变电路是将直流信号转变成高频交流信号；倍压整流电路主要功能是将升压的高频高压信号再次升压到预期输出电压值的同时得到更加稳定的直流电压3；控制单元中的保护电路在系统工作过程中扮演相当重要的角色，当出现系统故障时，能够使系统立即停止工作从而保护高压电源本身和负载，是高压电源实现稳定输出功能的重要组成部分4。2 束流调节保护电路的设计2.1 电路工作原理保护电路整体结构如图 2 所示。束流信号 Us 经过运放 A1、B1 进入比较器 B2 中，当输出电压 U2 超过保护阈值电压U3时，保护电路产生过流信号，触发可控硅，继电器工作，立即切断束流调节器输出，仪器停止工作，确保整机系统安全。束流采样电路如图 3 所示5，通过采样电阻，获取直流高压电源束流调节保护电路研究周任晖1孟德川1李俊霖2申子钺1邓玉福3*（1.沈阳师范大学物理科学与技术学院 辽宁省沈阳市 110034）（2.辽宁仪表研究所有限责任公司 辽宁省丹东市 118002）（3.沈阳师范大学实验教学中心 辽宁省沈阳市 110034）摘要：本文介绍了一种用于直流高压电源的束流调节保护电路。该电路具有多重保护措施，包括电容对强干扰的抑制、压敏电阻的电压钳位以及二极管限幅电路等。束流检测信号经保护电路连接到束流调节器，通过对束流信号进行运算放大，并与保护阈值电压进行比较，确定输出过流信号，触发单向可控硅，控制继电器的吸合，从而实现电源电路保护的目的。仿真和实验结果表明，该电路结构合理、灵敏可靠，为电源电路系统的安全运行提供了有效的保障。关键词：直流高压电源；束流保护电路；强干扰抑制；MATLAB 仿真基金项目：国家自然科学基金项目(12075158)；辽宁省教育厅基本科研项目(LJKFZ20220267)；沈阳师范大学重大项目孵化工程(ZD202001)。图 1：高压电源整体结构图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering108相应的束流信号 Us。2.1.1 正常工作状态保护电路工作原理如图 4 所示。正常工作情况下，束流信号为 0-10V。选取 220V 转 6V 变压器，将整流滤波电路得到输出电压 Uo 作为吸收比较保护阈值。整流输出电压 Uo 满足6：（1）其中，Um为，带入（1）式，得到 U0=7.6V。当 UoUs 时，D3 不导通。Q 点电位小于压敏电阻R7 的工作电压，运放 A1 输出电压 U1 满足：U1=-US*R3(R1+R2)（2）运放 B1 输出电压 U2 满足：U2=-U1*R5 R4 （3）其中，R4=R5，束流信号 Us 与束流调节器 U2 保持一致，也可通过 R3 与 R1、R2 以及 R5与 R4 比例关系灵活调整预放大倍数。此时，比较器 B2 输出电压 U2 小于保护阈值电压U3，电路不会产生过流信号。2.1.2 保护工作状态图 2：保护电路整体结构图图 3：采样电路图 4：保护电路原理图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering109出现强干扰时，UsUo，D3 导通，大电容 C2 对强干扰有很强的吸收抑制作用，有效地抑制了 Us 的上升速率7。强干扰消失后，R6 为 C2 的放电电阻。同时，当强干扰导致 Us 达到压敏电阻 R7 的工作电压时，R7所在回路导通，Q 点电位被钳位在 R7 工作点电压，压敏电阻对电路起到稳压保护的作用。运放 A1 为正负 12V 双电源供电，B1 为 12V 电源供电。当输入电压超过运放的最大电压时，运放正负两端会产生巨大压差导致其受到损坏，故加入二极管D1、D2 构成的限幅电路保证运放安全工作8。此时，D1、D2 导通，H 点电压被钳位于二极管正向压降。比较器 B2 输出电压 U2U3，电路产生过流信号，继电器线圈吸合，接入束流调节器的常闭触点断开，快速切断电源避免高压放电进一步加激。2.2 强干扰抑制仿真利用 MATLAB 软件仿真研究 C2 不同容值对 Us 的抑制效果，仿真电路图如图 5 所示。在 MATLAB 仿真电路中，将示波器接在 R6 两端，R6 两端电压随时间变化。C2 电容值为 1000uF 与6000uF时，在10s的设定时间内R6两端电压上升的快慢。从图中可以看出，大容量电容对强干扰 Us 有更好的抑制效果。改变电容大小，测得不同电容值下 Us 的上升时间与上升速率，见表 1。根据表 1 可知，随着电容值的增大，Us 的上升速率得到了有效的抑制。在电解电容的选取上，除了要考虑其对强干扰的抑制作用，还要考虑体积问题，容量越大的电解电容体积也越大。在频率较高的电路中，电容体积大的话，存在的寄生电容也就越大，这会影响到电路的稳定性。综合上述考虑，具体电路中选取四个3300uF 的电解电容。3 实验与分析通过改变保护阈值电压 U3 的大小，可对不同的束流值实现保护，通过进行多次实验，测试电路稳定性。束流保护点测试见表 2、表 3 和表 4，其中，P 点电位表示电阻 R6 两端电压，Q 点电位为压敏电阻 R7 两端电压，H 点电位为运放 A1 反向输入端电压。经分析发现，随着 Us 的增大，P 点电位先减小后增大，当 Us 大于压敏电阻 R7 的工作电压（18V）时，Q 点电位不会再随着束流值的增大而增大。当 Us 小于运放最大电压（10V）时，H 点电位为 0，当 Us 超过运图 5：强干扰抑制仿真电路图表 1：不同电容值下 Us 的上升时间与速率C2 电容值（uF）上升时间上升速率100104.298ms106.387（/s）500532.075ms11.634（/s）10001.062s5.938（/s）20002.122s3.027（/s）40004.061s1.600（/s）60005.116s1.189（/s）80005.309s1.010（/s）100005.309s951.077（/ks）120005.285s914.221（/ks）132005.169s881.504（/ks）140005.130s865.674（/ks）电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering1104 结论本文针对直流高压电源，设计了束流调节保护电路，保护电路实现了对强干扰的吸收抑制以及高压电源的过流保护。根据强干扰抑制仿真与实际应用需求选取了吸收电容的最佳值，通过改变保护阈值，可对不同的束流值实现保护。该束流调节保护电路结构简单，成本低，稳定性好，为高压电源的安全运行提供了有效的保障。参考文献1 温纪彦.X 射线管高压电源控制系统的设计及高压电源纹波的测量 D.沈阳师范大学,2015.2 杨卫悦.高压直流电源设计研究 D.天津理工大学,2022.3 王壮.高频谐振开关电源的优化设计与实现 D.华北电力大学,2017.4 丛恩佳.固态小型高压电源的设计 D.沈阳师范大学,2018.5 李晟栋,邓玉福,常啸等.X 射线荧光光谱仪高压电源保护电路的设计J.信息通信,2018(12):64-65.6 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.电子技术应用,2008,34(10):71-74+77.7 韦寿祺.一种束流采样与保护电路 J.电焊机,1995(03):25-27.8 姜艳姝,徐兴.反激式开关电源钳位保护电路设计仿真研究J.计算机仿真,2017,34(10):114-118.作者简介周任晖（1997-），女，甘肃省武威市人。硕士研究生，研究方向为电源技术。孟德川（1986-），男，辽宁省沈阳市人。博士，研究方向为辐射物理与技术。李俊霖（1982-），男，辽宁省丹东市人。高级工程师，研究方向为自动化技术。申子钺（1998-），男，甘肃省兰州市人。硕士研究生，研究方向为高压电源技术。邓玉福（1966-）（通讯作者），男，辽宁省沈阳市人。博士，研究方向为辐射物理与技术。表 2：束流保护点测试（U3=7V）束流值Us(V)P 点电位(V)Q 点电位(V)H 点电位(V)调节器U2(V)是否保护07.60000否37.581.7403.02否57.362.5705.06否77.424.1100保护87.844.1200保护98.824.5000保护109.585.0200保护2019.7310.340.470保护4039.9717.640.530保护5050.0218.600.550保护表 3：束流保护点测试（U3=8V）束流值Us(V)P 点电位(V)Q 点电位(V)H 点电位(V)调节器U2(V)是否保护07.58000否37.561.6303.01否57.502.5605.07否77.653.4607.01否87.774.0800保护98.564.4000保护109.714.5100保护2019.6910.320.450保护4039.9217.820.530保护5049.9918.430.540保护表 4：束流保护点测试（U3=9V）束流值Us(V)P 点电位(V)Q 点电位(V)H 点电位(V)调节器U2(V)是否保护07.60000否37.581.6403.02否57.522.5605.04否77.663.4807.01否87.744.0808.01否98.874.7200保护109.735.0900保护2019.8510.390.480保护4039.9917.810.530保护5050.3918.520.530保护放最大电压时，二极管限幅电路工作，H 点电位被钳位于二极管导通时的正向压降。综上所述，由压敏电阻、二极管限幅电路、运放电路以及比较器电路等组成的保护电路，较好地实现了束流调节和保护功能，且电路稳定重复性好，灵敏可靠。