小型化钛泵高压电源的设计与实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)清华大学精密仪器与机械学系 作者:陈曦

  介绍了一种应用于钛离子泵真空维持系统中的小型高压DC-AC 开关电源。高压开关电源采用非回馈的推挽型结构,变压器采用Mn-Zn铁氧体磁芯,高压输出电路采用三倍压结构,额定输出电压3KV,开关频率达68KHZ,输出功率大于3W。研制的钛泵高压电源已应用于静电支承惯性仪表中,具有功耗低、体积小、工作温度范围宽等特点。

  静电球轴承利用钛离子泵(简称钛泵)来维持转子-电极球腔内具有不低于10-6Pa的超高真空度,钛泵工作时需要外部提供高达数千伏的直流高压。高压电源的性能直接影响到轴承球腔内的真空度是否能够达到要求。因此,研制一种体积小、重量轻、低功耗、高可靠性的钛泵高压电源具有很高的工程应用价值。

  研制任务对高压电源的技术要求包括:输入电压为27V正负10%,额定输出电压为3000V,输出功率3W(当最大输出功率时<输出电压不低于1.5KV,体积小于54.8cm3,重量小于120g,纹波小于10%,环境温度20~80℃。

  因为钛泵电源需要按放在惯性仪表内部,因而要求其体积小、重量轻,这就对电源的电路结构、各部件的绝缘与散热等问题提出了较高要求。其中对变压器磁心的选择,以及元器件的功率和工作温度要在体积尽可能小的情况下满足工作要求。因此,减小钛泵电源的体积将是研制工作的难点之一。高压变压器是高压电源的核心部件。在高压变压器中,由于匝数较多,特别是次级匝数达上千匝,当变压器工作频率较高和电压变化率较大时,必须考虑变压器的分布电容和漏感问题。变压器的漏感和分布电容构成了串联谐振回路,这无形中提高了对变压器绝缘的要求。此外,钛泵电源需要具备较宽的工作温度范围,电源的开关频率、高压绝缘、元器件选取等也是需要考虑的因素。

  本文介绍了研制的小型化钛泵电源的电路原理、高压变压器设计、实验结果与改进。

  结论

  本文介绍了研制的一种高压电源的电路原理、高压变压器设计以及实验结果,研制的钛泵高压电源已应用于某惯性仪表中,性能指标满足研制任务要求。研究工作表明,由于高压变压器存在谐振峰较大的串联谐振,使得开关频率对电源的温度稳定性有较大影响,为使高压电源具有宽的工作温度范围,需要合理选择开关频率。此外,为实现高压电源的小型化,需要在变压器、电路板、电源外壳、灌封等设计与工艺过程采取措施来提供足够的绝缘性能,以保证高压电源长期工作的可靠性。研制的小型化高压电源与设计要求相比,体积与重量分别减小29%、28.3%。

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