倍压整流电路的分析和仿真
2023-07-12
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第25卷 第8期 Vo1.25 No.8 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2017年4月 Apr.2017 倍压整流电路的分析和仿真 闫良,闫英敏,杨凤彪 (军械工程学院车辆与电气工程系,河北石家庄050003) 摘要:倍压整流电路广泛应用于高压电源中,其输出脉动电压幅值和压降的大小影响着电源的性 能。本文针对高压电源的倍压整流电路.推导了沃尔顿倍压整流电路和改进的倍压整流电路脉动电 压幅值和输出压降公式,并采用matlab进行建模与仿真,验证了公式的正确性,与沃尔顿倍压整流 电路相比.改进的倍压整流电路的脉动电压幅值与输出压降大大减小。 关键词:沃尔顿倍压整流电路;改进的倍压整流电路;脉动电压幅值;输出压降 中图分类号:TN710.9;TP337 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2017)08—0119—05 Analysis and simulation of voltage doubling rectifier circuit YAN Liang,YAN Ying—min,YANG Feng-biao (Department of Vehicle and Electrical Engineering,Ordno21A7e Engineering College,Shijiazhuang 050003,China) Abstract:Voltage doubling rectiier cifrcuit is widely used in high—voltage power supply,the output ipplre and drop voltage of which effect performance of the power supply.This paper gives output ripple and drop voltage formula of Walton voltage doubling rectiifer circuit and an improved voltage doubling rectiifer circuit for vohage doubling rectiifer circuit of high vohage power supply,and it is simulated to verify the formula by the use of matlab.Compared with Walton voltage doubling rectiierf circuit,the output ripple and drop voltage of an improved voltage doubling rectiifer circuit is greatly reduced. Key words:Walton voltage doubling rectiifer circuit;improved voltage doubler rectiifer circuit;ripple voltage amplitude;drop voltage 倍压整流电路是由二极管和电容器串并联组成 的,利用耐压较低的二极管和电容,可以将电压幅值 较低的交流整流成高压直流。其广泛应用在高压直流 电源中。一方面可以减小变压器的砸比,降低变压器 输出压降。即无负载时理论输出电压值与有负载时 输出最大电压之差:脉动电压幅值是有负载时输出 的沃尔顿倍压整流电路输出电压脉动电压幅值和压 降较大,限制了直流高压电源的发展[2-31。 其工作过程为:当变压器次级绕组电压极性为上负 下正时,二极管D 导通,将电容C 充电至电压 ,当 U为上正下负时,二极管D 截止,D。导通, 和电容 C 共同给C 充电,电容G 充电至2U,随着变压器次 设计难度,另一方面电路结构简单。倍压整流电路【 】 级绕组极性的变化,二极管依次导通,依次充电至, 因此加到负载两端的直流电压为2nU。本拓扑结构 的优点是每个电容上的电压不超过变压器次级绕组 电压最大值与最小值之差的一半。但目前广泛应用 峰值电压的2倍。 1倍压整流电路的分析 1.1沃尔顿倍压整流电路 沃尔顿倍压整流电路的拓扑结构(41 ̄1:1图1所示, 图1 沃尔顿倍压整流电路 收稿日期:2016—03—10 稿件编号:201603131 119- 作者简介:闰良(1992一),男,河南许昌人,硕士研究生。研究方向:高压脉冲电源。 —.《电子设计工程}2017年第08期 为分析方便,文中的电路参数皆如下设定:假定 所有电容都为C,流经负载的电流为,,交流电源的 频率为 下面把图1中电容在每周期内充放电过程 分为以下4个过程:1)在t。时间段内,上柱电容经二 容Ck在充电时得到电荷(n—k)Q +Q ,在放电时失去 电荷(n-k)Q +Qz,故电容 的脉动电压为: (1) 极管D2、D4…D2n向下柱电容和负载放电;2)在t 时 间段内,下柱电容向负载放电;3)在t:时间段内,下 柱电容经二极管D 、D …D 向上柱电容和负载放 电,C 由交流电源经D。充电;4)在t3时间段内,下柱 电容向负载放电。充电时间t。和t:极短,沃尔顿倍压 输出电压的总脉动电压为电容C 、C 、…C 上脉 动电压之和.则 = (2) 二 , k = 1 则输出电压脉动电压幅值为: 电路输出波形如图2所示I 5】。 2nU 图2沃尔顿倍压整流电路输出波形 在图2中,下柱电容在tl* 时间段向负载及上 柱电容输出电荷,在t。时间段内由上柱电容向其补充 电荷,由电荷守恒定律知,二者相等。同理,上柱电容 在tADB时间段内失去的电荷等于由时间段内下柱 电容向其补充得到的电荷。 假设一个周期内流经负载的电荷为Q ,下柱电 容向负载输入的电荷为Q:,上柱电容向负载输入的 r 电荷为aQ,则Q =Q +AQ且Q = 。 ‘, 在tl+f2+ ,时间段内,下柱电容向负载输出电荷, 每个电容都失去电荷Q:,在£。时间段内,上柱电容 向下柱电容补充其失去的电荷Q:,并向负载输出电 荷aQ,共失去电荷Q 。为了补充下柱电容失去的电 荷,在t:时问段内下柱电容(除电容 外)经D。、D, …D 。向上柱电容补充电荷Q。,此时下柱电容(除电 容 外)又都失去电荷Q 。为了补充下柱电容(除电 容C 外)的损失,在t。时间段内上柱电容(除电容C 外)经D 、D …D 之向下柱电容(除电容C 外)补充 电荷Q ,此时上柱电容(除电容C 外)失去电荷Q。。 为补充上柱电容(除电容C 外)失去的电荷,下柱电 容(除电容C 和cn外)经过D 、D,…D q向上柱电 容(除电容 外)补充电荷Q。。以此类推下去,不难 发现,图1中每个电容在一个周期内的电荷的收支 情况是不一样的,电容 在一个周期内电荷收支为 Q ,电容C 在一个周期内电荷收支为Q +p:。则电 一120- 8U= ̄-SUx= (3) 在t。时间段内,电容C 向C。及负载传输电荷 nQ。,故电容C 能充电至2 上,。在 时间段内电 容C。向C 及负载传输电荷,电容C 能充电至2U一 孕一C C 上)一 C ’,以此类推,… “。’ 。则电容 上的压 一 。~ 降为: 一孕+ [州 )+... -k+1)]+ (4) 由tl+t2= ,则 上的压降可改写为: 句 (2n—k+1)(2k一1) (5) 输出电压的压降为电容C 、C:…C 上压降之和, 则压降△ 为 AU= ∑(2n—k+1)(2k—1) I8n3+ 3nZ+n : ——12 —(6) 1.2改进的倍压整流电路 高压电源性能指标越高,要求输出电压脉动电 压和压降越低,由公式(3)和(6)知,沃尔顿倍压整流 电路输出波形的纹波电压和电压降都较大,并不适 于精度高的电源设计中。为此,本文提出一种改进的 倍压整流电路 ,其拓扑结构如图3所示。 假定变压器T的两个次级绕组匝数相同,次级 绕组交流电压幅值都为 ,并且同名端都在上端。其 工作过程为:当变压器次级绕组电压极性为上负下 正时,D 、D 导通,D。。、D 截止,次级绕组电压给电 容和充电至电压。当变压器次级绕组电压极性为上 正下负时,D。 、Dn、D。 、Dd 导通,D 。、Db 截止,次级绕 组电压 和 。、cc 共同给电容 充电,将其电压 升至2U,同时次级绕组电压 将电容 。、Cn充至电 闫良。等倍压整流电路的分析和仿真 图3改进的倍压整流电路 压 ,随后二极管依次导通,将电容 。、 。… 充 至电压2U,极性为左负右正,并将电容 。、 :… 充至电压2 ,极性为左正右负。 改进的倍压整流电路是由对称式沃尔顿倍压电 路演变来的,可以看做是对称式沃尔顿相串联起来 6 等一 鲁=等 c9 6 争6 =杀 (10) 在中柱被充电的时间段内,中柱电容C 被充电 的 埘。要分析改进倍压整流电路的脉动电压和压降. 须先分析对称式沃尔顿倍压电路,其拓扑结构如图 4所示 至2 争砉,中柱电容 被充电至2U n 一 丁n-1 I以此类推中柱电容被充电至2U-n2一 ,…一 一 冬 I。则中柱输出电压压降△ 为: AU=亩(2n z+凡) (11) (12) 由公式(11)和(12)得,改进倍压整流电路的脉 动电压幅值和电压降分别如下: 图4对称式沃尔顿倍压整流电路 6U= I 在图4中,当变压器次级绕组输出电压为上正 下负时,上柱给中柱及负载放电,同时中柱给下柱放 电,所以此时中柱上的电压上升速度会明显减小,输 出电压的脉动会得到改善。对称式沃尔顿倍压电路 中柱电容每半个周期就会被充电一次,而向负载放 电不到半周期.该电路上柱给中柱充电时间仅仅是 图1电路中的一半。由于中柱充电时间很短,可以忽 略上柱和下柱向负载放的电荷.而认为负载的电荷 △ 吉 路的脉动电压幅值和电压降分别为: (13) 令p=g 手(假定 为偶数),则改进倍压整流电 砉 (14) 仅是由中柱供给的,设为p 。 由上述的分析可知,上柱向中柱放电时,中柱电 容脉动电压为: △ 嘉(鲁+孚+寺) 2.1仿真模型的搭建 (15) 2两种倍压整流电路的仿真分析 在matlab中搭建沃尔顿4倍压整流电路和改 进的4倍压整流电路的仿真模型f12 ,其模型分别 如图5和图6所示。在图5中的模型,选取交流电 监+(翌= )Q +…+且2C2 2 : i 2盟2 2C f7、 2C1 中柱要向下柱放电,中柱电容脉动电压为(下式 中负号表示脉动电压变化为负): 一 050,电容皆为1 I.zF,负载为15 kSq。在图6 2C】 。 2 。 。轰一 2C 2 2等(C一8 ) 220:1+ …压幅值为220 V,频率为25 kHz,变压器变比为 模型中,变压器变比为220:1 050:1 050,其余参数与 图5皆相同。 一则由公式(7)和(8)知,中柱总的脉动电压 和脉动电压6 幅值为: 1’1一 《电子设计工程))2017年第08期 图5沃尔顿4倍压整流电路仿真模型 P母 怖 RI.CBra劬i 图6改进4倍压整流电路仿真模型 2.2仿真结果分析 图5与图6电路输出电压波形分别如图7和图 8所示。不难发现,沃尔顿4倍压整流电路的脉动电 压值约为20 v,输出电压降约为8O V,而改进4倍 压整流电路脉动电压值约为5 V,输出电压降约为 18 V。沃尔顿倍压4倍压整流电路的脉动电压幅值 和电压降值都远远大于改进4倍压整流电路,通过 改进拓扑结构可以减小脉动电压和电压降值。 nme/ 图8改进的4倍压整流电路输出电压波形 电压幅值和输出压降的公式推导及仿真分析,得出 以下结论。 1)脉动电压幅值和输出压降值与电源频率和整 流电容值成反比,与负载电流大小成正比; 2)与沃尔顿倍压整流电路相比,改进倍压整流 电路可以大大减小脉动电压幅值和输出压降值。 T Jme/s 图7沃尔顿4倍压整流电路输出电压波形 参考文献: [1]郝波,霍龙.多倍压整流电路的PSPICE分析与研究 3 结 论 -[J].电力学报,1996(2):8一l1. 2]王昌.X射线电源系统研究[D].北京:北京交通大 通过对沃尔顿倍压电路和改进倍压电路的脉动 [122- 闰良.等 倍压整流电路的分析和仿真 学.2007. method for reducing ripple of Cockcroft-Walton generator in an ultrahigh-voltage electron [3]张广鹏.医用诊断X射线机高频高压发生器的研 制fD】.广州:南方医科大学,2013. [4】王帅,彭磊.几种高压开关电源倍压电路的研究 microscope[JJ.Review of Scientific Instruments, 1994,65(10):3194—3198. 【J].通信电源技术,2013(4):32—33. [5】张仁豫,陈昌渔,等.高电压试验技术[M】.北京: 清华大学出版社.2003. [6】唐治德,张正茂,杨红,等.全桥LLC串联谐振X光 机高压直流电源[J].重庆大学学报,2012,35(3): 85—91. [1 1]Iqbal S,Besar R,Venkataseshaiah C.Single/ three—phase symmetrical bipolar voltage muhip— liers for X-ray power supply[C]//Electircal Engineering,2008.1CEE 2008.Second International Conference on.IEEE,2008:1—6. [12]银志军,赵扬,孙大维,等.倍压整流电路的仿真 [7]唐治德,杨红,王官涛,等.适用于医用X光机电 源的一种新型电压倍增器[J].生物医学工程学杂 志,2011,5(5):946—950. 与分析fJ].光电技术应用,2006,5:71—75. [13]陈翔,王丛岭,杨平,等.倍压整流电路参数分析 与设计[J].科学技术与工程,2012,29(29):7732— 7735. [8]Iqbal S,Besar R.A Bipolar Cockcroft—Walton Journal of Applied Sciences,2007,4(10):795-801. Voltage Multiplier for Gas Lasers[J].American [14]刘新泉,朱明光.三柱式倍压整流在高压电源中的 应用『J].沈阳师范大学学报,2003,21(1):28—30. [15]林志琦,郎永辉,王岩,等.倍压整流电路电容参 数的优化设计[J].长春工业大学学报,2009,30 (5):55l一555. [9】李自成,袁保山.改进型低纹波C0ckcroft-Wahon倍 压电路及其特性研究fJ1.科学技术与工程,2014 (17):64-67. [10]Zhang H,Takaoka A.Eficifent compensation ( ̄*i-g 118页) [9]Venkatareddy A,Sithara R,et a1.Characterizati0n [1 2]Delgado-Frias J G,Zhe Zhang,Turi M A.Low of a Novel Low Leakage Power and Area Eficifent power SRAM cell design for FinFET and C NTFET 7T SRAM Cell [C]//2016 29th International Conference on VLSI Design and 2016 15th International Conference on Embedded Systems. technologies『CI//20 1 0 International Conferenee on Green Computing.Piscataway,NJ,USA:1EEE, 2010:547-553. Los Alamitos,CA,USA:IEEE Computer Society, 2016:202—206. 『13]陈海峰.超深亚微米CMOS器件GIDL电流及其可 靠性研究『D】.西安:西安电子科技大学,2008:2. 电路一电路、系统与设计[M1.周润德,等译.北京: 电子工业出版社.2010:484—490. [10]Chua—Chin Wang,Deng-Shain Wang,Chiang- f14]Jan M Rabaey,AnanthaChandrakasan数字集成 Hsiang Liao.A leakage compensation design for low supply voltage SRAM[J].1EEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI)Systems, 2016,24(5):1761—1769. f151陈海峰.超深亚微米CM0S器件GIDL电流及其可 靠性研究[D】.西安:西安电子科技大学,2008. 『16]崔岩.采用T型电路参数法对现场电流互感器测 量的研究『J1.陕西电力,201l(9):63—66. 【1 1]Nair P,Eratne S,John E.A quasi—power—gated low-leakage stable SRAM cell[C]//2010 53rd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and f171朱成龙,张杰,何康康,等.弯管成型截面畸变有 限元数值仿真分析[J1.火箭推进,2015(5):77. Systems.Piscataway,NJ,USA:IEEE,2010: 761-764. —.123-