一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的制造技术

本发明专利技术公开一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的

【技术实现步骤摘要】
一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的20KV高压直流电源


[0001]本专利技术涉及一种直流高压电源，尤其是一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的
20KV
高压直流电源
。

技术介绍

[0002]高压电源是指在工作状态下，长时间保持一个电压不变的高压电源
。
这类高压电源通常使用在一些对粒子信号放大的部件上如光电倍增管和微通道板，也可以使用在需要固定高压的探测能量粒子或筛选带电粒子的仪器上，如法拉第杯，其带栅网结构处则需要固定高压，部分质谱仪入口处需要固定高压，部分静电分析仪上需要固定高压等
。
根据这些仪器的特性，对这种高压的要求是电压输出精度高
、
纹波小，但对变化达到稳定的速度没有太高的要求，因此对于这类高压电源的实现通常是设计从低压直流上升到高压直流的电路
。
本专利技术应用于空间探测领域，为等离子体探测器提供更宽偏置电压源，设计一种基于自激谐振拓扑结构的宽温度范围
20KV
直流高压电源
。
空间低能离子能谱仪是研究近地空间环境低能离子的分布和状态所常用的空间载荷之一
。
该载荷通常沿着设定的轨道对离子进行局地观测，获取对应离子的自身信息和空间分布信息
。
对了解空间等离子体
、
近地空间环境
、
行星际空间物理和空间天气的自然科学问题
、
行星际空间灾害性
、
空间天气的发生和发展过程r/>、
提前预测空间天气的变化
、
在有效时间内做出保障措施等具有显著意义
。
空间低能离子能谱仪通常需要多个高压施加在不同的组件上以实现离子的筛选和信号放大，随着空间探测领域的深入发展，更加快速和更宽电压范围的高压电源在低能离子谱仪的运用将更为广泛
。
[0003]在空间探测领域中，许多仪器如能谱仪
、
质谱仪等以及探测器的相关部件如电子倍增器
(CEM)、
微通道板
(MCP)
等都需要用到小型高压电源，目前国内在低能离子能谱仪的研制上具备一定的经验，但国内针对这类载荷的高压电源电压水平普遍不高，在高电压低噪声的设计和研制方面还缺乏经验
。
此外，为防止低能离子能谱仪中的高压电源出现拉弧现象，能谱仪的更好绝缘性能设计也是一大挑战
。
本专利技术针对这些不足，基于低能离子能谱仪专利技术了一种基于自激谐振拓扑结构的高电压低噪声的高压电源
。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，根据现有的低能离子能谱仪高压电源的基本性能要求，本专利技术提出一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的
20KV
高压直流电源，本专利技术是通过以下技术方案实现的：包括：
[0005]直流输入电源，用于提供直流输入电压；
[0006]功率调节电路，用于调节罗耶谐振电路输入端的电压电流；
[0007]罗耶谐振电路，用于将功率调节电路输出端的直流电压转换为高频的类正弦波电压，并进行第一级升压；
[0008]倍压整流电路，为半波倍压整流电路，用于对罗耶谐振电路的输出电压进行第二级升压并输出高压直流；
[0009]低通滤波电路，用于对输出的高压直流进行滤波处理；
[0010]高压直流输出模块，用于输出目标高压直流；
[0011]取样电路，取样输出模块的电压用于
PID
反馈电路，取样输出模块的电流用于过流保护；
[0012]PID
反馈电路，通过放大器将采样的电压值和电流值与阈值进行比较，从而进行反馈调节，通过功率调节电路使输出的目标直流高压达到稳定，最终形成闭环；
[0013]该高压电源能够对输出高压进行0到
20KV
闭环调节
。
[0014]所述高压电源中，使用变压器实现
28V
到
20KV
的升压比，对变压器的工艺要求很高，所以升压电路采用变压器和多倍压整流电路实现
。
为了减小后级倍压电路中器件的耐压值和体积，高频变压器第一级升压输出
1500V
左右交流电压，由于变压器是恒功率器件，假设变压器转换效率
70
％，输出电流
5mA
以上即可
。
根据自激推挽谐振电路的适用频率，拟定变压器的工作频率
60KHz
，选用
TDK
猛锌铁氧体作为变压器的磁芯
。
根据变压器功率需求，选用
TDK
的
GU26
系列磁芯
。
根据变压器的温度适用范围，选用
PC95
材质
。
[0015]所述高压电源中，根据变压器的次级输出，与常见的反激式半波整流电源不同，倍压电路采用全波双向倍压整流电路，可以提高电源的稳定度和效率，增强带负载能力
。
本方案中，变压器的第一级升压输出约为
1500V
，所以在考虑输出电压跌落的情况下，升至
20KV
高压设计中使用两个
12
阶的倍压电路串联方式
。
[0016]所述高压电源中，壳体采用叠板设计，将高压部分与低压部分分布在不同的
PCB
板中，为避免高压时在空气中产生拉弧现象，在叠层中灌封
315
‑
AB
环氧树脂，起到绝缘保护作用
[0017]本专利技术的有益技术效果：
[0018]本专利技术可以实现0到
20KV
直流高压电源输出，输出电流
100uA
左右
。
采用
28V
直流电源作为供电输入，经过自激谐振电路
、
高频变压器
、
全波倍压电路达到产生直流高压的目的
。
在闭环控制输出调节电路中，采用Ⅲ型补偿放大器网络调节谐振电路输入电压的方式，让整个电源模块处于线性可调节的工作状态
。
附图说明
[0019]图1为直流高压电源的方案框图；
[0020]图2为直流高压电源的原理图；
[0021]图3为功率调节电路；
[0022]图4为罗耶谐振电路；
[0023]图5为倍压整流电路；
[0024]图6为电压取样电路；
[0025]图7为电流取样电路；
[0026]图8为
PID
反馈电路；
[0027]图9为直流高压电源的结构图；
[0028]图
10
为直流高压电源的实物图
。
具体实施方式
[0029]为了使本专利技术的目的
、
技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本专利技术进行进一步的说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于罗耶谐振拓扑结构的宽温度范围的
20KV
高压直流电源，最大输出功率
5W
，其特征在于，包括：直流输入电源，用于提供直流输入电压；功率调节电路，用于调节罗耶谐振电路输入端的电压电流；罗耶谐振电路，用于将功率调节电路输出端的直流电压转换为高频的类正弦波电压，并进行第一级升压；倍压整流电路，为半波倍压整流电路，用于对罗耶谐振电路的输出电压进行第二级升压并输出高压直流；低通滤波电路，用于对输出的高压直流进行滤波处理；高压直流输出模块，用于输出目标高压直流；取样电路，取样输出模块的电压用于
PID
反馈电路，取样输出模块的电流用于过流保护；
PID
反馈电路，通过放大器将采样的电压值和电流值与阈值进行比较，从而进行反馈调节，通过功率调节电路使输出的目标直流高压达到稳定，最终形成闭环；该高压电源能够对输出高压进行0到
20KV
闭环调节
。2.
根据权利要求1所述的直流高压电源，其特征在于：用于输入的直流电源采用
28V
直流电压，宽温度范围指的是承受的温度范围为
‑
40℃
到
120℃。3.
根据权利要求1所述的直流高压电源，其特征在于，功率调节电路，采用三极管
Q3
线性放大原理进行调节，三极管
Q3
采用
PNP
型，三极管
Q3
的基极电压为电阻
R15
和电阻
R17
两端的电压，也即三极管
Q3
的基极电压为：
[(R15+R17)/(R14+R15+R17)]
×
VIN
其中，
R15
为电阻
R15
的阻值，
R17
为电阻
R17
的阻值，
R14
为电阻
R14
的阻值，
VIN
为直流输入电源；当三极管
Q3
的发射极电压大于基极电压
0.7V
以上时，即
UEB>0.7V
时，三极管
Q3
导通，通过
PID
反馈电路调节三极管
Q3
的基极电压，从而可以调节三极管
Q3
的导通电流，达到调节电压电流的目的

【专利技术属性】
技术研发人员：汪毓明，郝新军，程磊，申成龙，刘凯，潘宗浩，李毅人，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：