像增强器高压倍压电路的设计与仿真研究

　　1　引言

　　像增强器最早出现在二战时期,其重要作用是为士兵提供夜视能力。基本工作原理是利用光电效应作用,入射光子从光阴极激发出电子,经由MCP加速、倍增,轰击到荧光屏上产生光子,重新形成图像[1]。为像增强器配套的专用高压电源是一种能将低压直流输入转换为像增强器正常工作所需的高压直流输出的电压变换器。近年来像增强器发展迅速,第四代管已于20世纪90年代首先由美国研制成功[2],但与之相配套的微型电源发展却比较缓慢,其最主要原因是高压倍压模块微型化非常困难。以往对于较大体积、大功率高压电源,因为受体积与功耗限制较小,倍压电路参数往往通过设计者根据经验计算和多次实验修改来选择,在设计中也留有较大余量,但这种设计方法不适合在电源的体积和功耗受严格限制时使用。由于单兵作战的高压电源只有火柴盒大小,其高压倍压电路更是只占电源体积的四分之一,而且工作在高电压、微电流情况下,一般测量仪器很难对该电路工作进行实时准确测量,但电路的参数对其工作特性影响极大,正确选择合理的参数及输入信号是设计该电路的关键。为此,结合工作实践,对高压倍压产生电路进行数学建模,借助PSPICE仿真软件对倍压电路模型的暂态过程进行仿真分析,得出电路的交流输入信号频率、倍压电容和输出负载对倍压电路输出特性的影响,从而为工程设计提供有利参考,并最终设计出合格的电源样品。

　　2　电路结构和工作原理

　　为获得高电压,通常采用以下方法:增加变压器的变比,在变压器次级直接(或采用常规电源中的半波、全波整流方法)获得高压输出。这种方法在要求电源输出电压不太高的情况下是可行的,但是当要求电源输出电压较高时,要在变压器次级直接获得高压输出,必然使变压器的次级绕组匝数过多。由于变压器绕组的层间寄生电容和线间寄生电容的影响,在变压器工作中会出现很大的充放电电流和噪声,使变压器的初级开关产生很大损耗,甚至无法正常工作。因此,在这种情况下为了既获得高压输出,又不致使变压器的次级端电压太高,需采用倍压整流电路将变压器次级较低电压“倍压”成高压直流电压[3]。

　　当前倍压电路基本结构包括以下两种:信克尔(Scheakel)对称式多倍压整流器电路和科克罗夫特-沃尔顿(Cockcroft-Walton)对称式多倍压整流器电路。图1所示为信克尔对称式多倍压整流器电路,其工作原理简述如下:正半周整流管VD1导通,开始对电容C1充电,假设VD1导通对C1充电电压为V1,在负半周整流管VD2导通,变压器次级电压和电容C1两端电压串联叠加在一起对电容C2充电,此时,若忽略整流管管压降,则对电容C2充电后,电容C2两端电压为VC2=V1+VC1=2V1,同理,第4个电容被充电到4V1,但从电路结构可以看出此种电路不适宜用于直流输出高达5000V以上的微型倍压器,因为这对电子元件电容的耐压提出了很高的要求,特别是小电容时耐压问题就特别突出[4]。就目前了解的情况,国内生产的小体积表贴高压电容很难找到耐压5000V以上的。但此种电路有一个优点,就是倍压电容是并联法接入电路,其等效电容大大增加,从而保证了向负载提供持续电流的前提下,可大大减小单只电容器的容量值,容量值的减小在生产电容时可大大减小电容的体积,也很大程度上提高了充电速度。所以,此种电路常用来制作要求体积小,工作速度快,输出电压不太高的倍压器。