常用直流高壓電源的實現辦法

隨著科技的進步，高壓電源在越來越多的范疇得到使用。高壓電源這個名詞是根據其輸出電壓來含義的。詳盡到多高的電壓才叫高壓電源，我也不清楚。個人以為輸出電壓在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范疇其實非常寬敞，大到電力系統的直流高壓輸變電系統，小到家用的電蚊拍，都可以算是這個范疇里的東西。在這里我緊要想說說的是屬于電子電源范疇的高壓電源。這個范疇的高壓電源，緊要的使用有：醫療安檢無損測試范疇使用的X光系統、一些粒子加速器系統、工業煙氣除塵、耐壓探測儀表、靜電裝置、氣體激光器等。

高壓電源最緊要的技術特點，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，電路結構上也有異于通常的結構。通常關于輸出10KV以下的電源，可以筆直采用傳統的各種拓撲結構。但是關于電壓更高的電源，就要對電路結構作一些修改，以滿足更高電壓的輸出。由于變壓器初級部分的功率器件的耐壓限制，一般驅動部分仍舊是傳統的開關電源拓撲，對電路結構的修改，緊要是聚集在變壓器以及后面的整流電路上。下面緊要對這兩部分進行討論。

一、變壓器部分

1，多個變壓器串聯方式

這種方式的電路示意圖如圖1所示。特點是，每個變壓器的升壓比不是很高，磁芯與次級繞組間的壓差不大。這種辦法的優勢是：適合大功率輸出。變壓器繞組對磁芯的絕緣容易解決。缺點是：每個變壓器要傳遞的功率不相同，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，所以越是遠離驅動輸入的變壓器，其回路中等效的漏感就越大。那么變壓器實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，多組次級級聯方式

這種方式的電路示意圖如圖2所示。特點是，次級的每個繞組對初級的升壓比不是很高。優勢是：適合較大功率輸出。變壓器數量少，只要一副磁芯。缺點是：高壓端的繞組對磁芯的電壓差很大，絕緣不容易解決。次級繞組倘若對磁芯或初級結構不一致，那么漏感會不一致，導致繞組間存在差異。倘若保持結構一致，則全部次級都非得按照最高絕緣要求來設計，那么變壓器的窗口利用率會大大下降。

3，單變壓器，絕緣磁芯多組次級級聯方式

這種方式的電路示意圖如圖3所示。特點是，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行絕緣。每段磁芯都有一個次級繞組。優勢是：適合較大功率的輸出。變壓器數量少，只要一副磁芯。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解決。缺點是：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，次級級聯方式

這種方式的電路示意圖如圖4所示。為了能看的直觀一些，這里畫了一張3D的圖紙，為了畫出這個示意圖，畫了好長時間，特別是初級的那個線圈，看上去簡單，很費了一番力氣！這種結構的特點是多個變壓器組合，初級為串聯結構，次級獨立整流以后再串聯。優勢是：適合大功率的輸出，變壓器的升壓比不大。缺點是：初、次級對磁芯之間總有一個絕緣要求高，要多個變壓器。

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的倍壓整流電路了。這種電路的優勢是：結構簡單，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，最終存在一個極限倍壓階數。超過這個階數，電壓不再升高，反而會下降。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

電路結構見圖6，這其實是半波多倍壓電路的拓展結構。可以同時的到正負高壓。當然，倘若把其中端高壓接地，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。缺點是：倘若采用某端高壓接地，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。倘若高壓變壓器次級接地的話，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

電路結構見圖7，這種結構的特點是高壓變壓器的次級帶中間抽頭。這種結構的優勢是：倍壓的電壓跌落比半波多倍壓方式小很多。紋波也小很多。缺點是：變壓器的次級要抽頭，輸出同樣的高壓，變壓器的次級匝數新增了一倍。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。很多場合，我們把變壓器和整流電路兩種處理手段同時組合使用，例如變壓器次級分段，每段分別全波倍壓后串聯輸出等等。

通過二極管和電容組合成電荷泵方式的倍壓電路，總的來說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，用犧牲功率的方法來得到高的電壓，泵的能力的局限性比較大。

總之，掌握了基本原理，詳盡到工程案例中，就可以依據實際情況來選擇變壓器與整流電路的組合方式了。

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