直流高壓發生器是高壓試驗儀器中主要測試設備之一，直流高壓發生器在科學研究、國防、工業等領域有廣泛應用，尤其是科學研究領域，考慮到直流高壓發生器的經濟性和通用性，通常對直流高壓發生器具有高穩定性、寬范圍輸出和高可靠性要求［1］。在研究材料晶粒細化方面，直流高壓發生器是進行高電壓材料試驗的關鍵性儀器，并能為一些高壓試驗設備提供直流高壓電源，因此，其具有重要的研究價值［2］。在實驗室及工業生產中，有諸多的儀器設備也需要高壓直流穩壓發生器，有些還要求發生器輸出電壓可大范圍連續調節。鑒于目前生產的某些小功率直流高壓發生器體積龐大、笨重、元件多而復雜，加之實驗的需要，因此文中設計制作了一臺 25 kV 連續可調、*大輸出功率12. 5 W 的直流可調高壓發生器。

1 系統方案和工作原理

 實驗設計的直流可調高壓發生器是以快速可控硅作為開關元件，將工頻 50 Hz 倍頻升壓整流，然后經中間供電串聯的 5 倍壓整流器產生高壓直流電壓的發生

器裝置。

 直流可調高壓發生器的主回路由輸入調整電路、倍壓電路及測量顯示電路 3 部分組成，發生器的原理框圖如 1 所示［3］。直流高壓發生器系統供電采用工頻

 220 V/50 Hz 交流電，220 V 交流電壓經過可控硅半控整流橋整流、濾波和調整管穩壓，為逆變器提供一個高穩定度、小紋波的直流穩壓電流。可控硅逆變器又將這個直流電壓變換為中頻交流電，經中頻變壓器升壓，*后由變倍壓器整流倍壓產生直流高電壓。

1. 1 可調直流穩壓電路

 可調直流穩壓電路由 AC － DC 開關電源和可控硅交流調節器組成。工作過程是由工頻 220 V 交流電壓經整流、濾波、線性穩壓，然后輸出連續可調的、高穩定性直流電 壓，為輸出寬范圍的、穩定高的電壓提供保障［4］。

 采用可控硅作為交流開關，通過適當的改變加在可控硅控制極上同步觸發脈沖的時刻便可改變其導通角的大小，實現無觸點地連續調節輸出電壓有效值的

大小［5 － 6］。

 設輸入正弦波電壓 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，輸出電壓隨之改變。當 α 增大時，U～0 減小; 反之，U～0 增大。所以，可通過調節控制角實現連續調節輸出電壓。將此交流電壓輸入變壓器升壓，再經高壓硅堆橋式整流、分壓，即可得到連續可調直流高壓輸出。

 可控硅交流調壓器由可控整流電路和觸發電路兩部分組成，采用可控硅的優勢在于具有體積小、質量輕、反應快、工作時間長、工作效率高等優點，其電路原理如圖 3 所示。

 如圖 3 所示，由二極管 D1、D2、D3 和 D4 構成橋式整流電路，基極二極管 T1 構成張弛振蕩器作為可控硅的同步觸發電路。當調壓器通 220 V 交流電后，然后 220 V 交流電通過負載電阻 ＲL，經 4 個二極管整流，有一個脈沖直流電壓在可控硅 SCＲ 的 A、K 兩端形成，觸發電路的直流電源由該電壓經過電阻 Ｒ1 降壓后產生。當 220 V 交流經過正半周時，經整流過的電壓通過電阻 Ｒ4 和 W1 對電容 C1 充電。當 C1 充電電壓 Us 達到 T1 管的峰值電壓 Up 時，T1 管將由截止變為導通，于是電容 C1 通過 T1 管向電阻 Ｒ2 快速放電，結果在電阻 Ｒ2 上得到一個尖脈沖。將尖脈沖比作為控制信號，然后送到可控硅 SCＲ 的控制極上，使可控硅快速導通。被導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 220 V 交流電通過零點時，可控硅將自動關斷。當 220 V 交流電通過負半周時，電容 C 又重新充電，*終可調整在負載 ＲL上的功率［7］。

1. 2 升壓電路

 升壓電路由一個工頻變壓器構成，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電壓和信號功率，還可實現電路間的阻抗匹配，對直流電具有隔離作用。直流可調高壓發生器的低頻變壓器采用硅鋼片 EI 型磁芯，具有成本低、體積小等優點。本文的開關 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］。倍壓電路參數的設置將直接影響可調直流高壓發生器的輸出電壓，電壓紋波是倍壓電路的重要參數之一，倍壓電路如圖 4 所示。倍壓電路電壓紋波的計算公式為U～0 = Iout ( n + 1) /2fC ( 2)其中，Iout為輸出電流; f 為發生器頻率; C 為電容值; n

為階數，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高壓發生器的 25. 2 kV 高壓，輸出電路實物如圖 5 所示。主要包括直流可調發生器、FＲC － 100kV 數字電壓和自制200 MΩ 電阻分壓器。在實際應用中，應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。當直流可調高壓發生器進行**次調試時，用有機玻璃棒來固定和保護分壓器，結果從分壓器兩端產生的電流直接把電壓顯示器擊壞。經過分析，采用有機玻璃將整個分壓器隔離，然后再次進行調試，會使整個裝置運行更好。

2 仿真和試驗測試結果

2. 1 仿真結果

 直流可調高壓發生器通過分壓器輸出幅值為25. 2 kV 的直流電壓，通過計算得到輸出功率*大為12. 5 W，輸出電阻為 50 MΩ。采用 Matlab 對直流可調

 高壓發生器電路進行仿真，仿真時間取為 0. 1 ms，繪制輸出電壓響應曲線，得出仿真結果如圖 6 所示［9 － 10］，可調直流高壓發生器的輸出電壓值波動隨時間的增加開始迅速上升，*后穩定在約 24. 8 kV，與實驗測試結果接近，表明該電路仿真輸出電壓結果夠滿足設計要求。

2. 2 實驗測試結果

 為測試所研制的直流可調高壓發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 數字電壓表連接，測試結果如表 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，但當輸入電壓增大到約 30 kV，直流可調高壓發生器設備內會產生較大的噪音，設備易損壞。當輸入 電 壓 達 到 26. 4 V 時，輸出電壓達到*大值25. 2 kV，直流可調高壓發生器輸出電壓可調范圍為14. 2 ～ 25. 2 kV，通過計算實測電壓數值誤差約 4. 5% ，設計合理滿足實際應用要求。

3 結束語

 直流可調高壓發生器輸出*高電壓可達 25. 2 kV，在實驗測試時產生高壓放電現象，導致數字電壓顯示表元器件損壞。為了實驗數據準確、設備壽命長、操作安全，可將直流可調高壓發生器的工頻變壓器、倍壓電路、輸出電路固定在一個防水塑料盒內，同時達到密封和絕緣的需要。直流可調高壓發生器輸出電壓達到25. 2 kV，連續運行 5 min，無閃絡和擊穿現象，表明該裝置正常運行。綜上所示，直流可調高壓發生器具有輸出電壓可調、電壓穩定性高、可靠性高、成本低等優點。仿真和試驗測試表明，直流可調高壓發生器的設計達到預期效果，研制的樣機經過實際應用，能夠滿足設計要求。