一、设计概述

本方案针对工业级高压输出需求，提出一套高效、可靠的高压开关电源（SMPS）设计方案。设计输出电压可调范围为0–800V，输出功率最大500W，适用于电子束设备、高压探测器等高压应用场景。方案强调元器件的高可靠性、低损耗和稳定性，结合精心选型的关键器件，实现高效率（>90%）、低纹波（<100mVpp）、优良的电磁兼容性能。

二、设计指标

1. 输入电压：220VAC±10%，50Hz/60Hz

2. 输出电压：0–800V可调

3. 输出功率：最大500W

4. 纹波电压：<100mVpp

5. 效率：>90%

6. 工作温度：–20℃~+70℃

7. 隔离电压：输入与输出≥3kVAC

8. 电磁兼容：满足EN55032 Class B

三、拓扑结构选择

根据高压、大功率的要求，本设计采用半桥式拓扑。半桥结构电压利用率高，开关损耗低，且易于实现软开关与谐振换流，适合高压大功率场合。

四、主要功能模块与电路框图

五、优选元器件清单及选型理由

1. 整流桥：GBPC3506（350V/35A）

• 器件作用：将交流电压整流为直流并滤除主要低频纹波。

• 选择理由：GBPC3506具有高浪涌电流能力（最高可承受400A浪涌）、低正向压降（典型1.1V），满足大电流、低损耗需求。

• 功能特点：快速恢复结构，降低二极管恢复过程中的开关损耗，提高效率。

2. 输入滤波电容：Rubycon 450V/33µF

• 器件作用：滤除整流后直流母线的高频纹波，为后级半桥逆变器提供稳定直流电源。

• 选择理由：Rubycon专业级电解电容，耐高温（105℃）、低等效串联电阻（ESR），寿命长；合并多只以满足大电流需求。

• 功能特点：低ESR降低纹波电压，提高系统稳定性。

3. 半桥功率开关：Infineon IPP60R190P6（600V/190mΩ）

• 器件作用：完成开关逆变，将直流电转换为高频方波，驱动高压变压器。

• 选择理由：采用CoolMOS P6系列，具有低导通损耗和快速开关特性；耐压600V满足整流母线400V的安全裕度；Rds(on)仅190mΩ，降低导通损耗。

• 功能特点：支持软开关（ZVS）应用，进一步降低开关损耗。

4. 驱动芯片：TI UCC27211

• 器件作用：为半桥MOSFET提供高、低端驱动信号，保证摆率和死区时间可调。

• 选择理由：支持高达10V驱动电压，输出电流强（±4A），能快速给MOSFET充放电；内置死区时间调整，提升系统可靠性。

• 功能特点：抗噪声设计、片内保护与故障报告引脚，方便系统监控。

5. 高压变压器：定制绕制，初级400V直流推挽，次级800V输出

• 器件作用：实现高压电气隔离及电压升压。

• 选择理由：选用高导磁率铁硅合金磁芯（E-E芯、N87材料），降低磁损耗；匝比与漏感精确设计，配合ZVS软开关降低开关应力。

• 功能特点：隔离性能优异，耐压等级符合IEC标准；结构紧凑，散热良好。

6. 高压整流：Sovemi UltraFast 1200V/1A 快恢复二极管

• 器件作用：将变压器输出的高频交流整流为直流。

• 选择理由：UltraFast类型恢复时间<50ns，降低高频整流损耗；耐压1200V提供足够安全余量。

• 功能特点：小封装，寄生电感低，便于PCB布局减小环路面积。

7. 输出滤波：V-Cap DM系列 1kV/4.7µF 薄膜电容

• 器件作用：滤除整流后高压直流的高频纹波，提高输出质量。

• 选择理由：薄膜电容具有极低的ESR与ESL，高耐压、长寿命；适合高频滤波。

• 功能特点：良好的温度特性和寿命曲线，确保长期稳定运行。

8. 采样与反馈：TLV431+PC817 光耦隔离反馈

• 器件作用：实时监测输出电压，并通过光耦将误差反馈给主控芯片。

• 选择理由：TLV431具有精度高（基准误差±0.5%）、温漂低的特点；PC817光耦响应快速、隔离耐压高。

• 功能特点：组合使用可实现高精度电压闭环控制，确保输出稳定。

9. **保护与辅助电源：

• 辅助电源芯片：LM3485 实现辅助电源5V/20mA，供给驱动芯片与逻辑电路。

• 保护元件：NTC热敏电阻（浪涌限流）、TVS管（过压浪涌保护）、RCD箝位网络（吸收换流尖峰）。

• 选择理由：LM3485支持宽范围输入、过欠压保护；NTC与TVS快速响应，保护系统安全。

六、软启动与保护设计

1. 软启动模块：通过芯片内部软启动功能或RC网络控制驱动芯片使输出电压平缓上升，避免浪涌电流。

2. 过压保护（OVP）：当输出电压超出设定阈值（>820V）时，误差放大器输出驱动禁止信号，关闭开关管。

3. 过流保护（OCP）：通过取样电阻监测半桥电流，若超过限值则瞬间关断并触发故障锁定。

4. 短路保护（SCP）：输出短路时，快速检测至限流阈值并关闭开关，杜绝器件损坏。

七、布局与散热

1. PCB布局：功率回路需最短连接，减少环路面积；大电流地线与信号地分开，避免干扰耦合。

2. 散热方案：功率MOSFET与二极管采用独立散热片，保证芯片结温不超过100℃；高压滤波电容远离发热器件。

3. 屏蔽与接地：关键敏感节点加小屏蔽罩，与地平面可靠连接，增强EMC性能。

八、测试与验证

1. 空载及满载测试：验证输出电压、纹波、效率、温升等指标符合设计目标。

2. 冷热循环与老化测试：评估长期可靠性。

3. EMC测试：满足辐射与传导干扰标准。

九、总结

本设计选用高性能半桥拓扑与优质元件，实现了高压大功率输出的同时兼顾效率、可靠性与EMC性能，适合工业级应用。通过精心的选型与软硬件设计，确保系统在–20℃~+70℃工作环境下稳定运行。后续可根据具体应用需求对功率等级、输出电压范围和功能进行定制扩展。