一、設計概述

本方案針對工業級高壓輸出需求，提出一套高效、可靠的高壓開關電源（SMPS）設計方案。設計輸出電壓可調范圍為0–800V，輸出功率最大500W，適用于電子束設備、高壓探測器等高壓應用場景。方案強調元器件的高可靠性、低損耗和穩定性，結合精心選型的關鍵器件，實現高效率（>90%）、低紋波（<100mVpp）、優良的電磁兼容性能。

二、設計指標

1. 輸入電壓：220VAC±10%，50Hz/60Hz

2. 輸出電壓：0–800V可調

3. 輸出功率：最大500W

4. 紋波電壓：<100mVpp

5. 效率：>90%

6. 工作溫度：–20℃~+70℃

7. 隔離電壓：輸入與輸出≥3kVAC

8. 電磁兼容：滿足EN55032 Class B

三、拓撲結構選擇

根據高壓、大功率的要求，本設計采用半橋式拓撲。半橋結構電壓利用率高，開關損耗低，且易于實現軟開關與諧振換流，適合高壓大功率場合。

四、主要功能模塊與電路框圖

五、優選元器件清單及選型理由

1. 整流橋：GBPC3506（350V/35A）

• 器件作用：將交流電壓整流為直流并濾除主要低頻紋波。

• 選擇理由：GBPC3506具有高浪涌電流能力（最高可承受400A浪涌）、低正向壓降（典型1.1V），滿足大電流、低損耗需求。

• 功能特點：快速恢復結構，降低二極管恢復過程中的開關損耗，提高效率。

2. 輸入濾波電容：Rubycon 450V/33μF

• 器件作用：濾除整流后直流母線的高頻紋波，為后級半橋逆變器提供穩定直流電源。

• 選擇理由：Rubycon專業級電解電容，耐高溫（105℃）、低等效串聯電阻（ESR），壽命長；合并多只以滿足大電流需求。

• 功能特點：低ESR降低紋波電壓，提高系統穩定性。

3. 半橋功率開關：Infineon IPP60R190P6（600V/190mΩ）

• 器件作用：完成開關逆變，將直流電轉換為高頻方波，驅動高壓變壓器。

• 選擇理由：采用CoolMOS P6系列，具有低導通損耗和快速開關特性；耐壓600V滿足整流母線400V的安全裕度；Rds(on)僅190mΩ，降低導通損耗。

• 功能特點：支持軟開關（ZVS）應用，進一步降低開關損耗。

4. 驅動芯片：TI UCC27211

• 器件作用：為半橋MOSFET提供高、低端驅動信號，保證擺率和死區時間可調。

• 選擇理由：支持高達10V驅動電壓，輸出電流強（±4A），能快速給MOSFET充放電；內置死區時間調整，提升系統可靠性。

• 功能特點：抗噪聲設計、片內保護與故障報告引腳，方便系統監控。

5. 高壓變壓器：定制繞制，初級400V直流推挽，次級800V輸出

• 器件作用：實現高壓電氣隔離及電壓升壓。

• 選擇理由：選用高導磁率鐵硅合金磁芯（E-E芯、N87材料），降低磁損耗；匝比與漏感精確設計，配合ZVS軟開關降低開關應力。

• 功能特點：隔離性能優異，耐壓等級符合IEC標準；結構緊湊，散熱良好。

6. 高壓整流：Sovemi UltraFast 1200V/1A 快恢復二極管

• 器件作用：將變壓器輸出的高頻交流整流為直流。

• 選擇理由：UltraFast類型恢復時間<50ns，降低高頻整流損耗；耐壓1200V提供足夠安全余量。

• 功能特點：小封裝，寄生電感低，便于PCB布局減小環路面積。

7. 輸出濾波：V-Cap DM系列 1kV/4.7μF 薄膜電容

• 器件作用：濾除整流后高壓直流的高頻紋波，提高輸出質量。

• 選擇理由：薄膜電容具有極低的ESR與ESL，高耐壓、長壽命；適合高頻濾波。

• 功能特點：良好的溫度特性和壽命曲線，確保長期穩定運行。

8. 采樣與反饋：TLV431+PC817 光耦隔離反饋

• 器件作用：實時監測輸出電壓，并通過光耦將誤差反饋給主控芯片。

• 選擇理由：TLV431具有精度高（基準誤差±0.5%）、溫漂低的特點；PC817光耦響應快速、隔離耐壓高。

• 功能特點：組合使用可實現高精度電壓閉環控制，確保輸出穩定。

9. **保護與輔助電源：

• 輔助電源芯片：LM3485 實現輔助電源5V/20mA，供給驅動芯片與邏輯電路。

• 保護元件：NTC熱敏電阻（浪涌限流）、TVS管（過壓浪涌保護）、RCD箝位網絡（吸收換流尖峰）。

• 選擇理由：LM3485支持寬范圍輸入、過欠壓保護；NTC與TVS快速響應，保護系統安全。

六、軟啟動與保護設計

1. 軟啟動模塊：通過芯片內部軟啟動功能或RC網絡控制驅動芯片使輸出電壓平緩上升，避免浪涌電流。

2. 過壓保護（OVP）：當輸出電壓超出設定閾值（>820V）時，誤差放大器輸出驅動禁止信號，關閉開關管。

3. 過流保護（OCP）：通過取樣電阻監測半橋電流，若超過限值則瞬間關斷并觸發故障鎖定。

4. 短路保護（SCP）：輸出短路時，快速檢測至限流閾值并關閉開關，杜絕器件損壞。

七、布局與散熱

1. PCB布局：功率回路需最短連接，減少環路面積；大電流地線與信號地分開，避免干擾耦合。

2. 散熱方案：功率MOSFET與二極管采用獨立散熱片，保證芯片結溫不超過100℃；高壓濾波電容遠離發熱器件。

3. 屏蔽與接地：關鍵敏感節點加小屏蔽罩，與地平面可靠連接，增強EMC性能。

八、測試與驗證

1. 空載及滿載測試：驗證輸出電壓、紋波、效率、溫升等指標符合設計目標。

2. 冷熱循環與老化測試：評估長期可靠性。

3. EMC測試：滿足輻射與傳導干擾標準。

九、總結

本設計選用高性能半橋拓撲與優質元件，實現了高壓大功率輸出的同時兼顧效率、可靠性與EMC性能，適合工業級應用。通過精心的選型與軟硬件設計，確保系統在–20℃~+70℃工作環境下穩定運行。后續可根據具體應用需求對功率等級、輸出電壓范圍和功能進行定制擴展。