直流高壓發(fā)生器是高壓試驗(yàn)儀器中主要測試設(shè)備之一，直流高壓發(fā)生器在科學(xué)研究、國防、工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，尤其是科學(xué)研究領(lǐng)域，考慮到直流高壓發(fā)生器的經(jīng)濟(jì)性和通用性，通常對直流高壓發(fā)生器具有高穩(wěn)定性、寬范圍輸出和高可靠性要求［1］。在研究材料晶粒細(xì)化方面，直流高壓發(fā)生器是進(jìn)行高電壓材料試驗(yàn)的關(guān)鍵性儀器，并能為一些高壓試驗(yàn)設(shè)備提供直流高壓電源，因此，其具有重要的研究價(jià)值［2］。在實(shí)驗(yàn)室及工業(yè)生產(chǎn)中，有諸多的儀器設(shè)備也需要高壓直流穩(wěn)壓發(fā)生器，有些還要求發(fā)生器輸出電壓可大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。鑒于目前生產(chǎn)的某些小功率直流高壓發(fā)生器體積龐大、笨重、元件多而復(fù)雜，加之實(shí)驗(yàn)的需要，因此文中設(shè)計(jì)制作了一臺(tái) 25 kV 連續(xù)可調(diào)、*大輸出功率12. 5 W 的直流可調(diào)高壓發(fā)生器。
1 系統(tǒng)方案和工作原理
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的直流可調(diào)高壓發(fā)生器是以快速可控硅作為開關(guān)元件，將工頻 50 Hz 倍頻升壓整流，然后經(jīng)中間供電串聯(lián)的 5 倍壓整流器產(chǎn)生高壓直流電壓的發(fā)生
器裝置。
直流可調(diào)高壓發(fā)生器的主回路由輸入調(diào)整電路、倍壓電路及測量顯示電路 3 部分組成，發(fā)生器的原理框圖如 1 所示［3］。直流高壓發(fā)生器系統(tǒng)供電采用工頻
220 V/50 Hz 交流電，220 V 交流電壓經(jīng)過可控硅半控整流橋整流、濾波和調(diào)整管穩(wěn)壓，為逆變器提供一個(gè)高穩(wěn)定度、小紋波的直流穩(wěn)壓電流。可控硅逆變器又將這個(gè)直流電壓變換為中頻交流電，經(jīng)中頻變壓器升壓，*后由變倍壓器整流倍壓產(chǎn)生直流高電壓。
1. 1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電路
可調(diào)直流穩(wěn)壓電路由 AC － DC 開關(guān)電源和可控硅交流調(diào)節(jié)器組成。工作過程是由工頻 220 V 交流電壓經(jīng)整流、濾波、線性穩(wěn)壓，然后輸出連續(xù)可調(diào)的、高穩(wěn)定性直流電 壓，為輸出寬范圍的、穩(wěn)定高的電壓提供保障［4］。
采用可控硅作為交流開關(guān)，通過適當(dāng)?shù)母淖兗釉诳煽毓杩刂茦O上同步觸發(fā)脈沖的時(shí)刻便可改變其導(dǎo)通角的大小，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)地連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓有效值的
大小［5 － 6］。
設(shè)輸入正弦波電壓 Ud = 槡2 U～sinωt( U～為有效值) ，可控硅控制角為 α，則輸出電壓有效值為U～0 = 12π·2∫πα( 槡2U～sinωt) 2d( ωt槡 ) = U～ 12π
sinωt +π － α槡 π( 1)
由式( 1) 可知，控制角 α 變化時(shí)，輸出電壓隨之改變。當(dāng) α 增大時(shí)，U～0 減小; 反之，U～0 增大。所以，可通過調(diào)節(jié)控制角實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)輸出電壓。將此交流電壓輸入變壓器升壓，再經(jīng)高壓硅堆橋式整流、分壓，即可得到連續(xù)可調(diào)直流高壓輸出。
可控硅交流調(diào)壓器由可控整流電路和觸發(fā)電路兩部分組成，采用可控硅的優(yōu)勢在于具有體積小、質(zhì)量輕、反應(yīng)快、工作時(shí)間長、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，其電路原理如圖 3 所示。
如圖 3 所示，由二極管 D1、D2、D3 和 D4 構(gòu)成橋式整流電路，基極二極管 T1 構(gòu)成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發(fā)電路。當(dāng)調(diào)壓器通 220 V 交流電后，然后 220 V 交流電通過負(fù)載電阻 ＲL，經(jīng) 4 個(gè)二極管整流，有一個(gè)脈沖直流電壓在可控硅 SCＲ 的 A、K 兩端形成，觸發(fā)電路的直流電源由該電壓經(jīng)過電阻 Ｒ1 降壓后產(chǎn)生。當(dāng) 220 V 交流經(jīng)過正半周時(shí)，經(jīng)整流過的電壓通過電阻 Ｒ4 和 W1 對電容 C1 充電。當(dāng) C1 充電電壓 Us 達(dá)到 T1 管的峰值電壓 Up 時(shí)，T1 管將由截止變?yōu)閷?dǎo)通，于是電容 C1 通過 T1 管向電阻 Ｒ2 快速放電，結(jié)果在電阻 Ｒ2 上得到一個(gè)尖脈沖。將尖脈沖比作為控制信號(hào)，然后送到可控硅 SCＲ 的控制極上，使可控硅快速導(dǎo)通。被導(dǎo)通后的可控硅的電壓很低，一般 ＜1 V，從而使張弛振蕩器停止工作。當(dāng) 220 V 交流電通過零點(diǎn)時(shí)，可控硅將自動(dòng)關(guān)斷。當(dāng) 220 V 交流電通過負(fù)半周時(shí)，電容 C 又重新充電，*終可調(diào)整在負(fù)載 ＲL上的功率［7］。
1. 2 升壓電路
升壓電路由一個(gè)工頻變壓器構(gòu)成，工頻變壓器也被稱為低頻變壓器。低頻變壓器用來傳播信號(hào)電壓和信號(hào)功率，還可實(shí)現(xiàn)電路間的阻抗匹配，對直流電具有隔離作用。直流可調(diào)高壓發(fā)生器的低頻變壓器采用硅鋼片 EI 型磁芯，具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文的開關(guān) 頻 率 選 為 50 Hz，變 壓 器 升 壓 范 圍 是 220 ～5 000 V。
1. 3 倍壓電路
倍壓電路由高頻高壓整流二極管和高頻整流電容組成［6］。倍壓電路參數(shù)的設(shè)置將直接影響可調(diào)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓，電壓紋波是倍壓電路的重要參數(shù)之一，倍壓電路如圖 4 所示。倍壓電路電壓紋波的計(jì)算公式為U～0 = Iout ( n + 1) /2fC ( 2)其中，Iout為輸出電流; f 為發(fā)生器頻率; C 為電容值; n
為階數(shù)，通常兩倍壓為 1 階［8］。
1. 4 輸出電路
通過 200 MΩ 的分壓器可得到直流可調(diào)高壓發(fā)生器的 25. 2 kV 高壓，輸出電路實(shí)物如圖 5 所示。主要包括直流可調(diào)發(fā)生器、FＲC － 100kV 數(shù)字電壓和自制200 MΩ 電阻分壓器。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮電源效率與電流輸出能力來選取輸出電阻值的大小。當(dāng)直流可調(diào)高壓發(fā)生器進(jìn)行**次調(diào)試時(shí)，用有機(jī)玻璃棒來固定和保護(hù)分壓器，結(jié)果從分壓器兩端產(chǎn)生的電流直接把電壓顯示器擊壞。經(jīng)過分析，采用有機(jī)玻璃將整個(gè)分壓器隔離，然后再次進(jìn)行調(diào)試，會(huì)使整個(gè)裝置運(yùn)行更好。
2 仿真和試驗(yàn)測試結(jié)果
2. 1 仿真結(jié)果
直流可調(diào)高壓發(fā)生器通過分壓器輸出幅值為25. 2 kV 的直流電壓，通過計(jì)算得到輸出功率*大為12. 5 W，輸出電阻為 50 MΩ。采用 Matlab 對直流可調(diào)
高壓發(fā)生器電路進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間取為 0. 1 ms，繪制輸出電壓響應(yīng)曲線，得出仿真結(jié)果如圖 6 所示［9 － 10］，可調(diào)直流高壓發(fā)生器的輸出電壓值波動(dòng)隨時(shí)間的增加開始迅速上升，*后穩(wěn)定在約 24. 8 kV，與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果接近，表明該電路仿真輸出電壓結(jié)果夠滿足設(shè)計(jì)要求。
2. 2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果
為測試所研制的直流可調(diào)高壓發(fā)生器是否滿足使用要求，將其與 200 MΩ 分壓器的一端連接，200 MΩ分壓器的另一端與 FＲC － 100kV 數(shù)字電壓表連接，測試結(jié)果如表 1 所示。
如表 1 所示，輸出電壓隨著輸入電壓的增加而不斷增加，且輸出電壓與輸入電壓的比值( 約 1 000 倍)變化較小，但當(dāng)輸入電壓增大到約 30 kV，直流可調(diào)高壓發(fā)生器設(shè)備內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，設(shè)備易損壞。當(dāng)輸入 電 壓 達(dá) 到 26. 4 V 時(shí)，輸出電壓達(dá)到*大值25. 2 kV，直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出電壓可調(diào)范圍為14. 2 ～ 25. 2 kV，通過計(jì)算實(shí)測電壓數(shù)值誤差約 4. 5% ，設(shè)計(jì)合理滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
3 結(jié)束語
直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出*高電壓可達(dá) 25. 2 kV，在實(shí)驗(yàn)測試時(shí)產(chǎn)生高壓放電現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)字電壓顯示表元器件損壞。為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、設(shè)備壽命長、操作安全，可將直流可調(diào)高壓發(fā)生器的工頻變壓器、倍壓電路、輸出電路固定在一個(gè)防水塑料盒內(nèi)，同時(shí)達(dá)到密封和絕緣的需要。直流可調(diào)高壓發(fā)生器輸出電壓達(dá)到25. 2 kV，連續(xù)運(yùn)行 5 min，無閃絡(luò)和擊穿現(xiàn)象，表明該裝置正常運(yùn)行。綜上所示，直流可調(diào)高壓發(fā)生器具有輸出電壓可調(diào)、電壓穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。仿真和試驗(yàn)測試表明，直流可調(diào)高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，研制的樣機(jī)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
