隨著(zhù)科技的進(jìn)步，高壓電源在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到應用。“高壓電源”這個(gè)名詞是依據其輸出電壓來(lái)定義的。具體到多高的電壓才叫高壓電源，我也不清楚。個(gè)人以為輸出電壓在1000V以上的，可以認為屬于高壓電源了。直流高壓電源所涉及的領(lǐng)域其實(shí)非常寬廣，大到電力系統的直流高壓輸變電系統，小到家用的電蚊拍，都可以算是這個(gè)領(lǐng)域里的東西。在這里我主要想說(shuō)說(shuō)的是屬于電子電源領(lǐng)域的高壓電源。這個(gè)領(lǐng)域的高壓電源，主要的應用有：醫療安檢無(wú)損檢測領(lǐng)域應用的X光系統、一些粒子加速器系統、工業(yè)煙氣除塵、耐壓測試儀表、靜電裝置、氣體激光器等。
高壓電源最主要的技術(shù)特點(diǎn)，就是在于輸出電壓很高。高的輸出電壓對很多方面提出了特別的要求——元器件耐壓的要求、結構設計的要求、絕緣材料的要求等。與此同時(shí)，電路結構上也有異于通常的結構。通常對于輸出10KV以下的電源，可以直接采用傳統的各種拓撲結構。但是對于電壓更高的電源，就要對電路結構作一些修改，以滿(mǎn)足更高電壓的輸出。由于變壓器初級部分的功率器件的耐壓限制，一般驅動(dòng)部分依然是傳統的開(kāi)關(guān)電源拓撲，對電路結構的修改，主要是集中在變壓器以及后面的整流電路上。下面主要對這兩部分進(jìn)行討論。
一、變壓器部分
1，多個(gè)變壓器串聯(lián)方式
這種方式的電路示意圖如圖1所示。特點(diǎn)是，每個(gè)變壓器的升壓比不是很高，磁芯與次級繞組間的壓差不大。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：適合大功率輸出。變壓器繞組對磁芯的絕緣容易處理。缺點(diǎn)是：每個(gè)變壓器要傳遞的功率不一樣，最低壓端的變壓器傳遞功率最大，最高壓端的變壓器傳遞功率最高。每個(gè)變壓器對地絕緣要求不同。最高壓端的變壓器對地絕緣要求最高。由于變壓器存在漏感，所以越是遠離驅動(dòng)輸入的變壓器，其回路中等效的漏感就越大。那么變壓器實(shí)際輸出的電壓是有差異的，即便匝比都是一致的。
2，單變壓器，多組次級級聯(lián)方式
這種方式的電路示意圖如圖2所示。特點(diǎn)是，次級的每個(gè)繞組對初級的升壓比不是很高。優(yōu)點(diǎn)是：適合較大功率輸出。變壓器數量少，只需要一副磁芯。缺點(diǎn)是：高壓端的繞組對磁芯的電壓差很大，絕緣不容易處理。次級繞組如果對磁芯或初級結構不一致，那么漏感會(huì )不一致，導致繞組間存在差異。如果保持結構一致，則全部次級都必須按照最高絕緣要求來(lái)設計，那么變壓器的窗口利用率會(huì )大大下降。
3，單變壓器，絕緣磁芯多組次級級聯(lián)方式
這種方式的電路示意圖如圖3所示。特點(diǎn)是，磁芯是由多段組合而成，每段磁芯之間都用絕緣性能很好的薄膜進(jìn)行絕緣。每段磁芯都有一個(gè)次級繞組。優(yōu)點(diǎn)是：適合較大功率的輸出。變壓器數量少，只需要一副磁芯。每段次級繞組與磁芯的電壓差小，次級繞組對磁芯的絕緣容易處理。缺點(diǎn)是：磁芯是分段的，結構復雜。磁芯有氣隙，分段越多，等效氣隙越大，磁芯固定困難。
4，多變壓器，共初級，次級級聯(lián)方式
這種方式的電路示意圖如圖4所示。為了能看的直觀(guān)一些，這里畫(huà)了一張3D的圖紙，為了畫(huà)出這個(gè)示意圖，畫(huà)了好長(cháng)時(shí)間，特別是初級的那個(gè)線(xiàn)圈，看上去簡(jiǎn)單，很費了一番力氣！這種結構的特點(diǎn)是多個(gè)變壓器組合，初級為串聯(lián)結構，次級獨立整流以后再串聯(lián)。優(yōu)點(diǎn)是：適合大功率的輸出，變壓器的升壓比不大。缺點(diǎn)是：初、次級對磁芯之間總有一個(gè)絕緣要求高，需要多個(gè)變壓器。
二、整流電路
1，半波多倍壓電路
半波多倍壓電路有兩種結構，一種是圖5A的結構，這是基本的也是最常見(jiàn)的倍壓整流電路了。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：結構簡(jiǎn)單，二極管和電容的電壓應力都不高，變壓器的輸出電壓也不算高。缺點(diǎn)是：帶負載能力較差，倍壓階數越高則電壓跌落越多，最終存在一個(gè)極限倍壓階數。超過(guò)這個(gè)階數，電壓不再升高，反而會(huì )下降。另一種是圖5B的結構，這種電路的帶載能力強一些，但是電容的電壓應力很高。
2，全波多倍壓電路
電路結構見(jiàn)圖6，這其實(shí)是半波多倍壓電路的拓展結構�？梢酝瑫r(shí)的到正負高壓。當然，如果把其中端高壓接地，把變壓器次級懸浮，也是可以的。這樣做的好處是，得到同樣的高壓，只需要有半波多倍壓一半的階數就可以得到了。那么電壓跌落和紋波都小很多。缺點(diǎn)是：假如采用某端高壓接地，高壓變壓器次級懸浮的方式，對高壓變壓器的絕緣要求很高。假如高壓變壓器次級接地的話(huà)，那么得到的是正負高壓，使用上不是很方便。
3，抽頭式雙半波多倍壓電路
電路結構見(jiàn)圖7，這種結構的特點(diǎn)是高壓變壓器的次級帶中間抽頭。這種結構的優(yōu)點(diǎn)是：倍壓的電壓跌落比半波多倍壓方式小很多。紋波也小很多。缺點(diǎn)是：變壓器的次級需要抽頭，輸出同樣的高壓，變壓器的次級匝數增加了一倍。元件多，成本高。
4，還有其他拓展或混合式用法
例如抽頭式雙半波可以拓展為抽頭式全波正負多倍壓電路，用以得到正負高壓。也可以把圖5B的結構和圖5A的結構混合起來(lái)使用。也可以把常規整流方式與倍壓整流方式混合使用。正負倍壓方式中，也可以正、負階數不一致。很多場(chǎng)合，我們把變壓器和整流電路兩種解決手段同時(shí)組合使用，例如變壓器次級分段，每段分別全波倍壓后串聯(lián)輸出等等。
通過(guò)二極管和電容組合成電荷泵方式的倍壓電路，總的來(lái)說(shuō)不能承受大的輸出功率，而且輸出電壓的上升速率也相對較慢。因為這是一種電荷泵，用犧牲功率的辦法來(lái)得到高的電壓，泵的能力的局限性比較大。
總之，掌握了基本原理，具體到工程案例中，就可以根據實(shí)際情況來(lái)選擇變壓器與整流電路的組合方式了 |
