直流高压发生器是高压试验仪器中主要测试设备之一，直流高压发生器在科学研究、国防、工业等领域有广泛应用，尤其是科学研究领域，考虑到直流高压发生器的经济性和通用性，通常对直流高压发生器具有高稳定性、宽范围输出和高可靠性要求［1］。在研究材料晶粒细化方面，直流高压发生器是进行高电压材料试验的关键性仪器，并能为一些高压试验设备提供直流高压电源，因此，其具有重要的研究价值［2］。在实验室及工业生产中，有诸多的仪器设备也需要高压直流稳压发生器，有些还要求发生器输出电压可大范围连续调节。鉴于目前生产的某些小功率直流高压发生器体积庞大、笨重、元件多而复杂，加之实验的需要，因此文中设计制作了一台 25 kV 连续可调、*大输出功率12. 5 W 的直流可调高压发生器。
1 系统方案和工作原理
实验设计的直流可调高压发生器是以快速可控硅作为开关元件，将工频 50 Hz 倍频升压整流，然后经中间供电串联的 5 倍压整流器产生高压直流电压的发生
器装置。
直流可调高压发生器的主回路由输入调整电路、倍压电路及测量显示电路 3 部分组成，发生器的原理框图如 1 所示［3］。直流高压发生器系统供电采用工频
220 V/50 Hz 交流电，220 V 交流电压经过可控硅半控整流桥整流、滤波和调整管稳压，为逆变器提供一个高稳定度、小纹波的直流稳压电流。可控硅逆变器又将这个直流电压变换为中频交流电，经中频变压器升压，*后由变倍压器整流倍压产生直流高电压。
1. 1 可调直流稳压电路
可调直流稳压电路由 AC － DC 开关电源和可控硅交流调节器组成。工作过程是由工频 220 V 交流电压经整流、滤波、线性稳压，然后输出连续可调的、高稳定性直流电 压，为输出宽范围的、稳定高的电压提供保障［4］。
采用可控硅作为交流开关，通过适当的改变加在可控硅控制极上同步触发脉冲的时刻便可改变其导通角的大小，实现无触点地连续调节输出电压有效值的
大小［5 － 6］。
设输入正弦波电压 Ud = 槡2 U～sinωt( U～为有效值) ，可控硅控制角为 α，则输出电压有效值为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 变化时，输出电压随之改变。当 α 增大时，U～0 减小; 反之，U～0 增大。所以，可通过调节控制角实现连续调节输出电压。将此交流电压输入变压器升压，再经高压硅堆桥式整流、分压，即可得到连续可调直流高压输出。
可控硅交流调压器由可控整流电路和触发电路两部分组成，采用可控硅的优势在于具有体积小、质量轻、反应快、工作时间长、工作效率高等优点，其电路原理如图 3 所示。
如图 3 所示，由二极管 D1、D2、D3 和 D4 构成桥式整流电路，基极二极管 T1 构成张弛振荡器作为可控硅的同步触发电路。当调压器通 220 V 交流电后，然后 220 V 交流电通过负载电阻 ＲL，经 4 个二极管整流，有一个脉冲直流电压在可控硅 SCＲ 的 A、K 两端形成，触发电路的直流电源由该电压经过电阻 Ｒ1 降压后产生。当 220 V 交流经过正半周时，经整流过的电压通过电阻 Ｒ4 和 W1 对电容 C1 充电。当 C1 充电电压 Us 达到 T1 管的峰值电压 Up 时，T1 管将由截止变为导通，于是电容 C1 通过 T1 管向电阻 Ｒ2 快速放电，结果在电阻 Ｒ2 上得到一个尖脉冲。将尖脉冲比作为控制信号，然后送到可控硅 SCＲ 的控制极上，使可控硅快速导通。被导通后的可控硅的电压很低，一般 ＜1 V，从而使张弛振荡器停止工作。当 220 V 交流电通过零点时，可控硅将自动关断。当 220 V 交流电通过负半周时，电容 C 又重新充电，*终可调整在负载 ＲL上的功率［7］。
1. 2 升压电路
升压电路由一个工频变压器构成，工频变压器也被称为低频变压器。低频变压器用来传播信号电压和信号功率，还可实现电路间的阻抗匹配，对直流电具有隔离作用。直流可调高压发生器的低频变压器采用硅钢片 EI 型磁芯，具有成本低、体积小等优点。本文的开关 频 率 选 为 50 Hz，变 压 器 升 压 范 围 是 220 ～5 000 V。
1. 3 倍压电路
倍压电路由高频高压整流二极管和高频整流电容组成［6］。倍压电路参数的设置将直接影响可调直流高压发生器的输出电压，电压纹波是倍压电路的重要参数之一，倍压电路如图 4 所示。倍压电路电压纹波的计算公式为U～0 = Iout ( n + 1) /2fC ( 2)其中，Iout为输出电流; f 为发生器频率; C 为电容值; n
为阶数，通常两倍压为 1 阶［8］。
1. 4 输出电路
通过 200 MΩ 的分压器可得到直流可调高压发生器的 25. 2 kV 高压，输出电路实物如图 5 所示。主要包括直流可调发生器、FＲC － 100kV 数字电压和自制200 MΩ 电阻分压器。在实际应用中，应综合考虑电源效率与电流输出能力来选取输出电阻值的大小。当直流可调高压发生器进行**次调试时，用有机玻璃棒来固定和保护分压器，结果从分压器两端产生的电流直接把电压显示器击坏。经过分析，采用有机玻璃将整个分压器隔离，然后再次进行调试，会使整个装置运行更好。
2 仿真和试验测试结果
2. 1 仿真结果
直流可调高压发生器通过分压器输出幅值为25. 2 kV 的直流电压，通过计算得到输出功率*大为12. 5 W，输出电阻为 50 MΩ。采用 Matlab 对直流可调
高压发生器电路进行仿真，仿真时间取为 0. 1 ms，绘制输出电压响应曲线，得出仿真结果如图 6 所示［9 － 10］，可调直流高压发生器的输出电压值波动随时间的增加开始迅速上升，*后稳定在约 24. 8 kV，与实验测试结果接近，表明该电路仿真输出电压结果够满足设计要求。
2. 2 实验测试结果
为测试所研制的直流可调高压发生器是否满足使用要求，将其与 200 MΩ 分压器的一端连接，200 MΩ分压器的另一端与 FＲC － 100kV 数字电压表连接，测试结果如表 1 所示。
如表 1 所示，输出电压随着输入电压的增加而不断增加，且输出电压与输入电压的比值( 约 1 000 倍)变化较小，但当输入电压增大到约 30 kV，直流可调高压发生器设备内会产生较大的噪音，设备易损坏。当输入 电 压 达 到 26. 4 V 时，输出电压达到*大值25. 2 kV，直流可调高压发生器输出电压可调范围为14. 2 ～ 25. 2 kV，通过计算实测电压数值误差约 4. 5% ，设计合理满足实际应用要求。
3 结束语
直流可调高压发生器输出*高电压可达 25. 2 kV，在实验测试时产生高压放电现象，导致数字电压显示表元器件损坏。为了实验数据准确、设备寿命长、操作安全，可将直流可调高压发生器的工频变压器、倍压电路、输出电路固定在一个防水塑料盒内，同时达到密封和绝缘的需要。直流可调高压发生器输出电压达到25. 2 kV，连续运行 5 min，无闪络和击穿现象，表明该装置正常运行。综上所示，直流可调高压发生器具有输出电压可调、电压稳定性高、可靠性高、成本低等优点。仿真和试验测试表明，直流可调高压发生器的设计达到预期效果，研制的样机经过实际应用，能够满足设计要求。
