基于锁相技术的高压调频电源研制

摘要

目前高压调频电源工作在由电源和负载构成的整个电路的谐振频率附近时，输出电压达到最大值，当电源工作频率偏离整个电路的谐振频率时电源的输出电压会急剧下降，这使得在距离谐振频率较远的频率处高压调频电源输出的电压幅值会变得很低。如果利用这样的交流电源做高压实验时，在距离谐振频率较远的频率处输出电压幅值可能就无法满足实验要求，所以输出可以满足实验要求的高电压的频率范围较窄。 针对目前高压调频电源存在的这一问题，本论文中研制一台高压调频电源，当电源的工作频率偏离在电路的谐振频率时，电源输出电压的下降得程度比较和缓，从而在距离谐振频率较远的频率处也可以输出较高的电压幅值，从而使得电源可以在更宽的频率范围内输出满足实验需要的高电压，为高压实验提供更多在不同频率下的实验数据。高压调频电源输出电压的幅频特性曲线越陡峭，电源工作频率偏离谐振频率时电压下降得越剧烈；输出电压的幅频特性曲线越平坦，电源工作频率偏离谐振频率时输出电压下降程度越和缓。 本文首先对电源和负载组成的整个电路中影响电源输出电压幅频特性曲线的因素进行探究与分析，提出如何通过调整这些影响因素使输出电压幅频特性曲线变得平坦一些，并进一步提出了应该选择怎样的变压器绕制方法和绕组结构来改变这些影响因素从而使输出电压幅频特性曲线变得平坦。本文中对电源的由整流滤波电路、半桥逆变电路和变压器构成的主电路进行了设计。并基于锁相技术对高压调频电源的重要意义，设计了以CD4046锁相环为核心的锁相控制电路，该控制电路通过控制半桥逆变电路的开关管的工作频率实现了电源的频率调节功能。另外，本文中还对电源的过压过流保护电路和软启动电路进行了设计提高了电源运行的可靠性。本高压调频电源还具备对输出电压的大小和频率的测量功能，减少了对高压探头和示波器这些昂贵实验设备的依赖。在本论文中，最终成功设计了一款用于介质阻挡放电实验的高压调频电源，该电源输出最大输出功率为1kW，电源输入电压为电压波动不超过10%的工频交流220V电压，可输出幅值2～20kV、频率在5～20kHz之间可调的交流准正弦波电压。最后，经过实际的带负载实验，证明该电源达到了预期目标，并且能够满足实验负载的要求。

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专 业 学 位 硕 士 学 位 论 文

基于锁相技术的高压调频电源研制

Development of High Voltage Frequency-modulated Po

Dalian University of Technology

摘 要

Abstract

At present, the output voltage amplitude of the an

Aiming at the problem of analog high voltage frequ

In this paper, a high voltage FM power supply whic

Key Words：Power supply; dielectric barrier dischar

目 录

4.6 本章小结

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1 绪论

1.1 高压调频电源的研究背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文的选题思想

图1.1 SPWM原理图

图1.2 普通模拟型高压调频电源输出电压的幅频特性曲线

1.4 课题的研究意义和主要研究内容

2 介质阻挡放电用高压调频电源主电路

2.1 电源的负载等效电路分析

图2.9 Hc(jη)的幅频特性

2.2 高压调频电源逆变主电路设计

Tab. 2.1 Working condition of the switches in hal

2.3 整流侧电路的参数设计

2.4 本章小结

3 高频高压变压器分布参数分析与设计

3.1 变压器绕组绕法对分布电容大小的影响

（1）变压器绕组的U型绕法

（2）变压器绕组的Z型绕法

（3）变压器绕组的分段式绕法

3.2 变压器绕组结构对漏感大小的影响

3.3 变压器绕制方案的制定

图3.6 不同变压器绕法的高压调频电源输出电压的幅频特性曲线

图3.7 调整绕组匝数前后不同变压器绕法的变压器的输出电压幅频特性曲线

图3.8 调整绕组匝数前后不同变压器绕法的变压器的最大输出电压幅频特性曲线

3.4 变压器主要参数计算

3.5 本章小结

4 控制电路及辅助电路设计

4.1 锁相技术概述

4.2 锁相技术对高压调频电源的意义

4.3 基于锁相环的控制电路设计

4.3.1 CD4046锁相环电路设计

4.3.2 电压死区生成电路电路设计

4.3.3 它激到自激转换电路电路设计

4.3.4 相位补偿电路电路设计

4.3.5 开关管驱动电路设计

4.4 保护和测量电路设计

4.4.1 过压和过流保护电路设计

4.4.2 频率和电压测量电路设计

4.5 软启动电路设计

图4.21 软启动电路

4.6 本章小结

5 实验结果与分析

5.1 控制电路波形

5.2 驱动电路波形

5.3 高压调频电源变压器实物图

5.4 电压测量电路误差补偿

5.5 高压调频电源输出电压测试

表5.3 电源A输出电压统计表

Tab. 5.3 Statistics table for the output voltages

表5.4 电源B输出电压统计表

Tab. 5.4 Statistics table for the output voltages

5.5 本章小结

结 论

附录A 电源模块实物图

参 考 文 献

致 谢

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