容性负载的中小功率高频高压电源的研究与设计

0 引言  

由于臭氧发生片负载性质呈电容性，双高变压器的高压线圈呈电感性，连接在一起构成谐振回路，谐振回路都有自己固有的谐振频率，只有在固有的谐振频率下臭氧发生片才能获得最大的能量。另高压线圈存在分布电容，该电容一方面与负载的固有电容并联，增大谐振回路的电容量，同时又要消耗电路一部分能量。并且该回路交变电流产生的电磁场又要耦合到双高变压器的初级，影响功率开关管的工作状况。为能达到臭氧发生片的技术要求，可以借鉴开关电源的部分资料和电路基本原理来进行高频高压电源的设计。运用优异的脉宽调制器采用结构均流技术，并配以各种完善的保护功能，使得高频开关电源可靠性问题得到了圆满解决。满足低纹波要求，且体积小，重量轻，节能环保。  

1 臭氧发生片的技术指标  

沿面陶瓷放电臭氧片的技术指标如下：型号FCY－3500，电容量120土20pF，耐压>7kV，产03率3500mg／h，工作频率20～30kHz，电源功率45 W。  

根据负载要求，拟定高频高压电源的技术指标如下：输出功率(3500mg／h)≥60W，输出高压Up-p≥7．5kV，工作频率≥20kHz，供电电压DC24V±2V。  

2 高频高压电源的工作原理  

为使电源能够带动功率45W沿面陶瓷放电臭氧片，所以开发的双高电源定义在中小功率的范围内，选用单管他激式电路，该电路较简单，调试方便。但开关功率管要承受比其它电路更高的反向击穿电压(BVce0)。其原理框图如图1所示。  


  

其工作原理如下：开关功率电路采用他激式单管脉冲功率放大电路，可为臭氧发生片提供足够大的高频、高压脉冲电流，使臭氧发生片产生足够的电晕。开关功率器件选用VMOS管。双高变压器视它为一个设在能源与负载问的一个适配器；它不但要传送功率电路的能量到负载，而且它的性能(如分布电容、漏感等)又要制约功率电路的工作情况。为解决这一电路制作的难点。驱动电路使用CMOS与门集成电路，利用与门的特性，我们可以方便地控制VMOS管的工作状态。关于控制接口电路，当控制电平为低电平，驱动电路的输出电平也为零，功率电路工作在截止状态，为了防止误触发，在控制电路接口中还应设置防误触发电路，以保护电路准确工作，避免大功率器件因瞬间高频干扰而损坏。并且在电路中采用了过流自保护电阻，来保证电路的安全工作。  

3 高频高压变压器的设计和制作工艺  

1)高频高压变压器的设计  

为使双高变压器满足拟定的技术指标，通过对变压器初级绕组、磁芯截面积、绕组导线截面积的计算得出双高变压器的制作参数  

变压器初级匝数：  


  

磁芯截面积：  


  

式中Se：磁芯窗口面积，Po：臭氧发生片功率×1．3，Sc：磁芯截面面积(cm2)，U：直流供电电源电压(V)，Bm：是磁性材料的饱和磁通密度，其值一般800～2 000，f:振荡电路输出频率(Hz)  

绕组线径：  


  

式中：Id：流过变压器线圈电流有效值，j：为电流密度(2～3A／mm2)  

关于绕组线径，这里只是概算，由于高频电流的趋肤效应，使高频电流只在导线的表面流动，因此，在公式中计算出的线径，适当加大一点，以线圈骨架能装下为止。通过理论计算和实验确定双高变压器参数如下：规格为DC24V3500，铁氧体磁芯采用E128，初级匝数20圈，次级匝数1300圈，骨架结构6 槽。  

2)高频高压变压器制作  

变压器骨架为了减少分布电容，变压器骨架线圈绕组加工6槽，变压器高压线圈也采用分槽绕线。槽绕线圈约200圈。  

为解决双高变压器层间绝缘，中小型高压变压器一般都采用真空浸漆、环氧树脂封装，但此种工艺小批量不好加工，且价格昂贵。因此采用了较为成熟的高压变压器浸泡在绝缘油中的方法，来解决变压器的绝缘处理。绝缘的设计关键在于容器，要求容器能够在不断的运动、巅簸中，油不漏不溢，能耐180℃的温度、散热性能良好，变压器有近万伏的高压输出，因此要求容器耐高压电。为了满足变压器制作要求，变压器容器的外壳采用0．2厚不锈钢铁皮，外壳的上盖是一块印制板，并在此印制扳上制作了缓冲电路、变压器引出头等，四周预留敷铜框，该铜框与外壳