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）

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）

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。

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

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，降低变压器设计难度，另一方面电路结构简单。倍压整流电路[1]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电压最大值与最小值之差的一半。但目前广泛应用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[2-3]。

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[4]如图1所示，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D1导通，将电容充电至电压U，当U为上正下负时，二极管D1截止，D2导通，U和电容共同给C1充电，电容C1充电至2U，随着变压器次级绕组极性的变化，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峰值电压的2倍。

图1 沃尔顿倍压整流电路

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I，交流电源的频率为f。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t0时间段内，上柱电容经二极管D2、D4…D2n向下柱电容和负载放电；2）在t1时间段内，下柱电容向负载放电；3）在t2时间段内，下柱电容经二极管D3、D5…D2n-1向上柱电容和负载放电，由交流电源经D1充电；4）在t3时间段内，下柱电容向负载放电。充电时间t0和t2极短，沃尔顿倍压电路输出波形如图2所示[5]。

图2 沃尔顿倍压整流电路输出波形

在图2中，下柱电容在t1+t2+t3时间段向负载及上柱电容输出电荷，在t0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Q1，下柱电容向负载输入的电荷为Q2，上柱电容向负载输入的电荷为ΔQ，则Q1=Q2+ΔQ且。

在t1+t2+t3时间段内，下柱电容向负载输出电荷，每个电容都失去电荷Q2，在t0时间段内，上柱电容向下柱电容补充其失去的电荷Q2，并向负载输出电荷ΔQ，共失去电荷Q1。为了补充下柱电容失去的电荷，在t2时间段内下柱电容（除电容Cn外）经D1、D3…D2n-1向上柱电容补充电荷Q1，此时下柱电容（除电容Cn外）又都失去电荷Q1。为了补充下柱电容（除电容Cn外）的损失，在t0时间段内上柱电容（除电容外）经D2、D4…D2n-2向下柱电容（除电容Cn外）补充电荷Q1，此时上柱电容（除电容外）失去电荷Q1。为补充上柱电容（除电容外）失去的电荷，下柱电容（除电容Cn-1和Cn外）经过D1、D3…D2n-3向上柱电容（除电容外）补充电荷Q1。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Cn在一个周期内电荷收支为Q1，电容Cn-1在一个周期内电荷收支为Q1+Q2。则电容Ck在充电时得到电荷（n-k）Q1+Q2，在放电时失去电荷（n-k）Q1+Q2，故电容Ck的脉动电压为：

输出电压的总脉动电压为电容C1、C2、…Cn上脉动电压之和，则

则输出电压脉动电压幅值为：

在t0时间段内，电容向C1及负载传输电荷nQ1，故电容C1能充电至。在t2时间段内电容C1向及负载传输电荷，电容能充电至2U-，以此类推，则电容Ck上的压降为：

输出电压的压降为电容C1、C2…Cn上压降之和，则压降ΔU为

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[6-8]，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U，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，Da1、Db1导通，De1、Df1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，De1、Df1、Dc1、Dd1导通，Da1、Db1截止，次级绕组电压U和Ca1、Cc1共同给电容Cb1充电，将其电压升至2U，同时次级绕组电压U将电容Cd1、Cf1充至电压U，随后二极管依次导通，将电容 Cb1、Cb1…Cbp充至电压2U，极性为左负右正，并将电容Ce1、Ce2…Ceq充至电压2U，极性为左正右负。

图3 改进的倍压整流电路

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的[9-11]。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。

图4 对称式沃尔顿倍压整流电路

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，而认为负载的电荷仅是由中柱供给的，设为Q1。

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：

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）：

则由公式（7）和（8）知，中柱总的脉动电压 δUΣ和脉动电压δU幅值为：

在中柱被充电的时间段内，中柱电容C1被充电至，中柱电容Ck被充电至，以此类推中柱电容被充电至。则中柱输出电压压降ΔU为：

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：

2 两种倍压整流电路的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

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[12-15]，其模型分别如图5和图6所示。在图5中的模型，选取交流电压幅值为220 V，频率为25 kHz，变压器变比为220∶1 050，电容皆为 1 μF，负载为15 kΩ。在图6模型中，变压器变比为220∶1 050∶1 050，其余参数与图5皆相同。

图5 沃尔顿4倍压整流电路仿真模型

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80 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。

图7 沃尔顿4倍压整流电路输出电压波形

图8 改进的4倍压整流电路输出电压波形

3 结 论

通过对沃尔顿倍压电路和改进倍压电路的脉动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。

[1]郝波，霍龙.多倍压整流电路的PSPICE分析与研究[J].电力学报，1996（2）:8-11.

[2]王昌.X射线电源系统研究[D].北京：北京交通大学，2007.

[3]张广鹏.医用诊断X射线机高频高压发生器的研制[D].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[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.

[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.

[8]Iqbal S，Besar R.A Bipolar Cockcroft-Walton Voltage Multiplier for Gas Lasers[J].American Journal of Applied Sciences，2007，4（10）:795-801.

[9]李自成，袁保山.改进型低纹波Cockcroft-Walton倍压电路及其特性研究[J].科学技术与工程，2014（17）:64-67.

[10]Zhang H， Takaoka A.Efficient compensation method for reducing ripple of Cockcroft-Walton generator in an ultrahigh -voltage electron microscope[J].Review of Scientific Instruments，1994，65（10）:3194-3198.

[11]Iqbal S，Besar R，Venkataseshaiah C.Single/ three-phase symmetrical bipolar voltage multipliers for X-ray power supply [C]//Electrical Engineering，2008.ICEE 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与分析[J].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.

[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）:551-555.

Analysis and simulation of voltage doubling rectifier circuit

YAN Liang，YAN Ying-min，YANG Feng-biao
（Department of Vehicle and Electrical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Voltage doubling rectifier circuit is widely used in high-voltage power supply，the output ripple and drop voltage of which effect performance of the power supply.This paper gives output ripple and drop voltage formula of Walton voltage doubling rectifier circuit and an improved voltage doubling rectifier circuit for voltage doubling rectifier circuit of high voltage power supply，and it is simulated to verify the formula by the use of matlab.Compared with Walton voltage doubling rectifier circuit，the output ripple and drop voltage of an improved voltage doubling rectifier circuit is greatly reduced.

Walton voltage doubling rectifier circuit；improved voltage doubler rectifier circuit；ripple voltage amplitude；drop voltage

TN710.9；TP337

：A

：1674-6236（2017）08-0119-05

2016-03-10稿件编号：201603131

闫 良（1992—），男，河南许昌人，硕士研究生。研究方向：高压脉冲电源。