一種直流高壓電源的設(shè)計實現(xiàn)

高 文，肖海峰，喬社娟，馬 昭

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

當(dāng)今社會，發(fā)展日新月異，各行各業(yè)對電力供電、電氣設(shè)備的依賴程度不斷加大，保證電力系統(tǒng)的正常供電，電氣設(shè)備的正常工作，是現(xiàn)實中十分必要的。 在日常維護過程中，檢測電力系統(tǒng)中變壓器、輸電線路和電氣設(shè)備的絕緣性能是最簡單快捷的方法。 而在進行絕緣測試時，多數(shù)設(shè)備儀器基本都需要使用直流高壓電源。 同時成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也通常使用到直流高壓電源。 從應(yīng)用場景綜合考慮，一種簡潔、方便的直流高壓電源，具有較大市場的需求， 故在此設(shè)計實現(xiàn)了一款直流高壓電源。 該電源具有體積小、操作便捷的優(yōu)點，而且精密可控、寬動態(tài)范圍，使用場合豐富，通用性強。

1 系統(tǒng)方案

測量絕緣電阻和成像系統(tǒng)高壓電源多被用作測試源或激勵源，要求具備高電壓、小電流的能力，為此設(shè)計了電壓10 kV， 電流2 mA 的直流高壓電源。 設(shè)計要求直流高壓電源成本低、控制簡潔、使用方便。 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

控制器作為系統(tǒng)的核心部分，控制器實現(xiàn)對功率電路的控制和接收反饋信號，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，同時對外有通信接口和操作接口，可方便地實現(xiàn)與對外系統(tǒng)或者用戶的對接。

驅(qū)動部分在控制電路和主功率拓撲電路之間，驅(qū)動部分實現(xiàn)對控制電路輸出的PWM 脈沖進行放大，足以驅(qū)動功率電路動作。 它也是電路的主要組成部分，同時也可以在此采取一定的保護措施。

主拓撲電路和升壓變壓器該部分實現(xiàn)了從低電壓到高電壓的轉(zhuǎn)換，設(shè)計時還要充分考慮高電壓設(shè)計所帶來的種種問題。

倍壓電路該電路是實現(xiàn)最終高壓直流源的重要部分，倍壓電路的階數(shù)選擇、相關(guān)器件參數(shù)的選擇都將影響到實際的輸出效果。

采樣電路和調(diào)理電路它們共同完成輸出量到控制系統(tǒng)的反饋，為系統(tǒng)閉環(huán)控制不可缺少的部分。

2 主拓撲電路分析

對于所設(shè)計的直流高壓電源，主拓撲電路采用推挽開關(guān)電路， 整個系統(tǒng)由主控制器輸出PWM 脈沖，通過驅(qū)動電路放大進而對雙管進行開通和關(guān)斷控制。 在系統(tǒng)中前段采用驅(qū)動電路以及保護電路，由此將驅(qū)動功率管實現(xiàn)拓撲工作。 具體的主拓撲電路如圖2 所示。

圖2 主拓撲電路Fig.2 Main topology circuit

如圖所示，主拓撲電路采用推挽開關(guān)電路。 電路由互補通斷的開關(guān)管Q1，Q2以及升壓變壓器T1組成，后續(xù)電路采用倍壓整流電路，因此該部分可以使變壓器體積明顯減小。

T1變壓器原邊繞組作為主拓撲的一部分，副邊繞組受原邊控制升壓輸出， 其主要工作過程如下：當(dāng)主控制器發(fā)出PWM 脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后， 高電平到達Q1的基極，控制Q1導(dǎo)通，此時保證Q2基極電平為低，Q2保持關(guān)斷；同理，當(dāng)Q2開通時保持Q1關(guān)斷。

3 倍壓電路

由于倍壓電路在變壓器次級回路中的應(yīng)用，可以將變壓器副邊輸出的電壓值經(jīng)過倍壓電路后，達到原來電壓值的2 倍、4 倍，甚至8 倍，從而明顯地縮小了變壓器的體積，并且有效地降低了變壓器副邊首末端的電壓差，降低了變壓器副邊繞組線圈的纏繞難度和成本，有效降低了高壓風(fēng)險[1]。

該設(shè)計的最大輸出電壓值為10 kV。 考慮到變壓器本身寄生參數(shù)及損耗等問題，系統(tǒng)采用三階六倍壓電路，整個系統(tǒng)輸出可達到10 kV（通過閉環(huán)控制實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出），如圖3 所示。

圖3 實際采用的倍壓電路Fig.3 Actual voltage doubling circuit

當(dāng)變壓器副邊繞組輸出為上端正、 下端負時，變壓器繞組向圖3 所示的上面3 組（2 個電容并聯(lián)為1 組）電容進行充電，此時電流的實際流向如圖4所示。

圖4 變壓器副邊繞組上端為正時的電流流向Fig.4 Current flow direction of transformer secondary windings with positive current at the upper end

當(dāng)變壓器副邊繞組輸出為上端負、 下端正時，變壓器繞組向圖3 所示的下面3 組（2 個電容并聯(lián)為1 組）電容進行充電，此時電流的實際流向如圖5所示。

由于原邊推挽電路受控制器控制交替導(dǎo)通，所以副邊倍壓電路重復(fù)上述過程，當(dāng)達到穩(wěn)定后，圖5中C1，C2組電容兩端電壓為U， 而其余幾組電容兩端電壓都為2U。 因此，當(dāng)選取下端3 組電容的兩端為輸出端時，輸出電壓為6U。 在此，選取C11-C12電容組的右側(cè)為輸出端負，C3-C4電容組的左側(cè)為輸出端正。

圖5 變壓器副邊繞組上端為負時的電流流向Fig.5 Current flow direction when the upper end of transformer secondary winding is negative

倍壓電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，但是倍壓階數(shù)對輸出紋波和帶負載時電壓跌落有較大的影響。 設(shè)輸出電流為I，每個電容的容量相同為C，開關(guān)頻率為f， 電路階數(shù)為N （二倍壓為一階）， 則跌落電壓ΔU 和輸出電壓紋波Uripple[2]通常為

在此采用三階六倍壓電路， 負載要求2 mA，選取電容為0.1 μF，開關(guān)頻率為10 kHz，則計算的輸出紋波電壓和最大跌落電壓為

在設(shè)計中， 整流二極管選擇型號為2CL2FK，VRRM可達到10 kV，完全可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。而設(shè)計使用0.1 μF 電容，2 個并聯(lián)可保證輸出帶負載能力，由于高電壓電容容量的大小與價格也緊密相關(guān)， 故在設(shè)計時也充分考慮了電容的電壓等級、容量和成本等因素。

4 閉環(huán)控制

所設(shè)計的直流高壓電源可以根據(jù)設(shè)定輸出達到穩(wěn)定的輸出電壓。 主要采用的閉環(huán)控制方式如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖Fig.6 System closed loop control block diagram

整個硬件系統(tǒng)設(shè)計有采樣電路和信號調(diào)理電路，最終將輸出電壓采樣調(diào)理為0～3 V 的電壓信號，送入控制器的AD 端口， 控制器根據(jù)反饋的實際輸出電壓進行閉環(huán)控制，將實際輸出電壓與設(shè)定電壓進行比較， 再根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整輸出PWM 脈沖的占空比，以確保輸出電壓的精準(zhǔn)和穩(wěn)定。

通過對實際拓撲及控制策略進行仿真，仿真結(jié)果較為理想，具體仿真輸出波形如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the system

5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

完成整個系統(tǒng)設(shè)計后，根據(jù)某直流高壓電源項目進行了實物設(shè)計與調(diào)試，制作了相關(guān)電路板。 直流高壓電源的實物照片如圖8 所示。

圖8 高壓直流源系統(tǒng)實物Fig.8 High pressure DC source system

根據(jù)項目設(shè)計要求，將該系統(tǒng)分為控制驅(qū)動板和高壓板。 考慮到整個系統(tǒng)輸出電壓達到10 kV，分開設(shè)計有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

在直流高壓電源實物的調(diào)試過程中，考慮到整個系統(tǒng)的設(shè)計情況， 測試PWM 占空比對真實輸出電壓的影響， 在前期測試記錄數(shù)據(jù)為開環(huán)測試，同時考慮項目后續(xù)更高電壓等級電源的設(shè)計，因此參數(shù)余量都較大。10 kV 測試需要專用的高壓探頭，而實驗室的實際測試采用高精度萬用表串接在負載回路中測量實際電流值，進而計算得出輸出電壓值。具體測量結(jié)果見表1， 其中實際測試負載為3 MΩ電阻。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Test data record

由表1 實際測試得到的真實數(shù)據(jù)可知，直流高壓電源的設(shè)計完全可滿足最初的設(shè)計要求，實現(xiàn)了輸出電壓10 kV，帶負載能力達到2 mA（測試負載為3 MΩ 時可達3 mA）。

6 結(jié)語

直流高壓電源的設(shè)計，通過主控制器控制輸出PWM 脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路、主拓撲電路和倍壓電路后實現(xiàn)高壓電源的輸出；當(dāng)采用單片機或DSP 等主控制器時， 便于與外部的通信及其他功能的實現(xiàn)，如實現(xiàn)單一的高壓電源模塊也可以采取SG3525 等專用控制芯片。 所設(shè)計直流高壓電源硬件電路簡潔、成本低、對外接口少、操作方便，達到了設(shè)計要求，滿足了客戶需求。