一種采用高壓繼電器隔離的方波電壓源裝置研究

張杰，蔣培，劉新竹

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇 南京 211106；2.武漢智瑞捷電氣技術有限公司，湖北武 漢 430074；3.武昌工學院信息工程學院，湖北 武漢 430065）

方波電壓源往往采用固態(tài)Marx的拓撲方式來實現(xiàn)，高壓脈沖放電對充電機及驅(qū)動電路會產(chǎn)生很大影響，傳統(tǒng)的隔離方式往往是在回路中串聯(lián)電感[1-3]。這種在回路中串聯(lián)電感的方式存在以下問題：1）選擇串聯(lián)電感的方式保護Marx主回路時，電感的耐壓及電感值很難準確計算并選型，涉及到的結構較為復雜[4-5]；2）在輸入電壓較低時，串聯(lián)電感能起到一定的保護作用，當輸出電壓升至較高后放電反壓較大，串聯(lián)電感對電路的保護作用有限，不能起到保護充電電源的作用。

傳統(tǒng)放電開關的驅(qū)動都采用串心變壓器結構，利用同軸線驅(qū)動變壓器的原邊和副邊繞組。原邊采用一匝高壓同軸線，內(nèi)導體層用作脈沖傳遞，屏藏層接大地；副邊使用普通的低壓同軸線，屏蔽層接相應的IGBT發(fā)射極。由于原邊繞組需要連接各個驅(qū)動單元，絕緣要求高，另外此種結構對驅(qū)動信號的寬脈要求也很難達到[6-8]。

為了克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，研制了一種驅(qū)動采用穩(wěn)壓管取電及高壓繼電器隔離的方波電壓源，基于固態(tài)Marx的基本拓撲，采用高壓繼電器隔離的方式充電完成后，斷開充電回路，使得放電回路與充電回路完全隔離，有效保護了充電回路及充電機的安全，并有效解決了高壓放電的干擾問題，適用于特高壓直流輸電中電壓互感器的校驗。

1 方波電壓源裝置的設計

1.1 技術要求

技術指標詳見表1。

表1 技術指標Tab.1 Technical indicators

1.2 方波電壓源裝置總體設計方案

根據(jù)高壓繼電器隔離的方波電壓源裝置設計指標，產(chǎn)生5～200 kV連續(xù)可調(diào)的脈沖電壓波形，系統(tǒng)采用充電機+Marx發(fā)生器構成，方案結構如圖1所示。裝置適用于負載為幾十至數(shù)千pF的容性負載。裝置上電之后，泄能繼電器和放電回路繼電器斷開，充電回路和驅(qū)動電路繼電器閉合，驅(qū)動板上穩(wěn)壓管取電，驅(qū)動電路提供IGBT觸發(fā)電壓，并經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換后給光耦電路供電。設置充電電壓及充電電流，按下啟動充電按鍵，充電機開始充電，當充電電壓達到設置電壓后點擊停止充電；按下觸發(fā)開關，控制板將觸發(fā)電信號轉(zhuǎn)化為光信號，發(fā)送給分光板，經(jīng)過分光板分出多路觸發(fā)信號給驅(qū)動板，放電時充電回路和驅(qū)動電路繼電器斷開以保證充電機和驅(qū)動與放電回路隔離開，從而保證電路的安全及保護驅(qū)動電路免受干擾。完成觸發(fā)放電，在負載端形成指標上要求的方波電壓，同時放電和泄能繼電器閉合，將Marx中充電電容和負載端電容的能量釋放。

圖1 方波電壓發(fā)生裝置Fig.1 Square wave voltage generator

2 Marx發(fā)生器設計

2.1 拓撲選擇

方波電壓發(fā)生裝置電路圖如圖2所示，包括充電機、控制板、分光板、N個驅(qū)動板、充放電隔離電路。控制板分別與充電機、分光板、驅(qū)動板、充放電隔離電路相連，每個驅(qū)動板控制1級充電電路，分光板分別與N個驅(qū)動板相連，N個驅(qū)動板并聯(lián)，并通過一個隔離繼電器與外部電源相連。

取電電路如圖3所示，包括穩(wěn)壓管、限流電阻、儲能電容、電源模塊。外部供電通過高壓繼電器與限流電阻相連后，再與電源模塊連接成回路，在限流電阻和電源模塊之間并聯(lián)一個穩(wěn)壓管和儲能電容。

驅(qū)動電路如圖4所示，包含光纖接收模塊、比較器、驅(qū)動芯片。分光板通過光纖依次與光纖接收模塊、比較器、驅(qū)動芯片相連接；驅(qū)動芯片與對應充電電路的IGBT相連；取電電路為驅(qū)動電路提供電源。

圖2 方波電壓發(fā)生裝置電路圖Fig.2 Circuit diagram of square wave voltage generator

圖3 取電電路圖Fig.3 The circuit diagram of taking electricity

圖4 驅(qū)動電路圖Fig.4 Drive circuit diagram

負極性Marx發(fā)生器原理圖如圖5所示。充放電隔離電路包括N級充電電路、1個隔離繼電器（K1）、2個泄能繼電器（K2，K3）及負載，每級充電電路由充電電容、高壓二極管及IGBT構成，充電電容、高壓二極管及IGBT連接成回路，各級充電電路并聯(lián)，相鄰充電電路之間連接另一個高壓二極管；隔離繼電器K1一端分別與控制板和充電機相連，另一端與限流電阻R1相連，限流電阻R1通過第1個高壓二極管與第1級充電電路相連，最后一級充電電路與大地相連構成充電的回路，同時最后一級充電電路通過一個泄能繼電器K3與泄能電阻R3相連，負載并聯(lián)在N級充電電路的首尾兩端，另一個泄能繼電器K2連接另一泄能電阻R2并聯(lián)在負載兩端。

圖5 負極性Marx發(fā)生器原理圖Fig.5 Schematic diagram of negative polarity Marx generator

2.2 主開關器件以及級數(shù)的確定

根據(jù)設計指標，負載如圖6所示。

圖6 負載Fig.6 Load

當脈沖被觸發(fā)，根據(jù)設計要求，上升沿時間≤10 μs，為保證器件的耐流能力，考慮上升沿為3 μs進行設計，上升沿過程，流過試品的電流為

式中：I為回路最大電流；U∞為最大輸出電壓；Rmin為最小負載電阻；Cmax為最大負載電容；du/dt為電壓變化率。

趨穩(wěn)后電流大小：

經(jīng)過對性能以及價格方面的衡量，選用4 000V，40 A的IGBT，型號為IXEL40N400，其瞬態(tài)通流能力為400 A，可以滿足需求?？紤]500 V安全裕量，每一級可以充電至3 500 V，所以級數(shù)為

式中：N為充電電路級數(shù)。

每一級的充電二極管可選4個超快恢復二極管（型號MUR4100）進行串聯(lián)，該二極管平均通流能力為4 A，可以承受150 A峰值電流。

2.3 儲能電容的確定

根據(jù)設計指標考慮，上升過程時間、趨穩(wěn)時間、持續(xù)時間可按總脈寬為10.2 ms計算，幅值不低于95%的輸出脈沖幅度。

負載總電容最大2 nF，負載電阻最小30 MΩ，所以負載上需要電容提供的能量值約為

式中：Q1為負載上需要電容提供的能量值；Cload為最大負載電容；Rload為最小負載電阻；T為電壓脈沖持續(xù)時間。

在充電開關K1斷開，放電打開這段時間內(nèi)（取500 ms）IGBT泄漏電流會損耗一部分能量，總共57個，其值為

式中：Q2為IGBT泄漏電流損耗的能量；Ices為IGBT泄漏電流。

根據(jù)所選二極管數(shù)據(jù)手冊，在放電階段二極管反向漏電流為100 μA，總共114個，其消耗的能量為

此外，作為每個IGBT保護用而串聯(lián)的一個電阻以及IGBT導通內(nèi)阻會消耗一部分能量，可取其等效電阻大小為0.02 Ω，其消耗能量值為

驅(qū)動電路從儲能電容取電，電壓轉(zhuǎn)換芯片考慮使用LT3639來給驅(qū)動電路提供供電電壓，單個驅(qū)動電路電流1 mA。所以在脈沖發(fā)生期間（取時間為500 ms），驅(qū)動部分耗電量為

由此可得所需的電容容量方程為

最大輸出電壓為200 kV，需要85 nF，每一級為4.845 μF，共274 μF。計算得電容量的大小為29.23 nF，所以每一級的電容大小為1.67 μF，實際可取為1.8 μF，選用EACO公司的6個2 000 V/1.2 μF電容（型號STC-2000-1.2-6G#）三并兩串得到。

2.4 驅(qū)動信號一致性的保證

由于級數(shù)達到57級，為確保10 μs的上升沿，每一級的驅(qū)動信號同步性需要得到良好的保障。經(jīng)過對比，光纖的傳輸延時小，在已有的傳播手段中速度最高、一致性最好。所以將采用光纖傳輸驅(qū)動信號以保障上升沿的陡度。

此外將選擇驅(qū)動能力足夠大的驅(qū)動IC以保證在得到驅(qū)動信號之后迅速開通開關管。

2.5 過沖以及趨穩(wěn)時間

針對過沖幅度（vm）≤5%；趨穩(wěn)時間（Ts-Tsr）≤100 μs（2·Δvs≤3%）的指標，由于采用的Marx為電容串聯(lián)放電形式，負載為阻容性，波形不會出現(xiàn)過沖震蕩等問題。按照工作原理，輸出波形如圖7所示。

根據(jù)MTConnect協(xié)議的規(guī)定，系統(tǒng)適配器Adapter與代理Agent通信采用Socket通信，其數(shù)據(jù)流格式為簡單的報文形式。Socket又稱套接字，是網(wǎng)絡上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，這個連接的一端稱為一個socket[4]，通過Socket能夠?qū)崿F(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡通信。Adapter發(fā)送的報文格式根據(jù)其數(shù)據(jù)項種類的不同可分為以下3種：

圖7 采用固態(tài)開關的Marx發(fā)生器輸出波形Fig.7 Output waveform of Marx generator using solid state switch

2.6 泄能電路的設計

在設備使用完成之后，為確保人員的安全，在Marx發(fā)生器當中，涉及到負載能量的泄放以及Marx主拓撲的儲能電容的能量釋放的具體設計為：負載能量的泄放通過圖5中的K2，R2實現(xiàn)泄放，當K2閉合，負載電容中的能量將通過R2構成泄放環(huán)路，從而消耗掉。繼電器K2選用Ross公司的E300-NOAir型號繼電器，耐壓為300 kV。

RC放電電路響應方程為

考慮負載電容電量通過自身30 MΩ電阻釋放時間也僅為0.5 s，所以可考慮舍去K2和R2，降低成本。

儲能電容的泄放則通過K3和R3實現(xiàn)泄放。當K3閉合，儲能電容中的能量將通過R2構成泄放環(huán)路，從而消耗掉。繼電器K3選用Gigavac公司的GR4ETA型號繼電器，耐壓為4 kV，最大通流能力為5 A?？紤]2 min將其中的電量釋放至人體安全電壓，所以有：

其功率大小為

2.7 充放電隔離電路的設計

在Marx發(fā)生器放電的過程中，充電電阻R1右側將承受很高的負電反壓。為避免突變的負高壓對充電電源產(chǎn)生沖擊，在放電過程中需要使用繼電器將充電電路和Marx發(fā)生器進行隔離。在放電時兩側電壓差接近于Marx發(fā)生器輸出電壓，充電隔離繼電器K1選用Ross公司的E300-NOAir型號繼電器。

考慮先恒流后恒壓的方式充電，恒流充電至3 000 V之后采取恒壓3 500 V的方式進行充電，剛剛進入恒壓充電階段時，隔離電阻兩端電壓差為500 V，限制最大充電電流為10 mA，所以充電隔離電阻R1可取值為50 kΩ，電阻需消耗功率5 W。

3 充電機方案

3.1 充電機功率

根據(jù)2.3節(jié)計算結果，每一級電容容量為1.8 μF。所以電容中的總電量為

需要在發(fā)出脈沖后1 min內(nèi)能夠重新發(fā)出脈沖，考慮驅(qū)動電路等的損耗，選取數(shù)值為700 J，所以功率大小為

考慮功率較小，預留較大裕量功率也不會造成成本大幅度增加，因此可以預留較大裕量進行設計。

3.2 充電機模塊選擇

輸出電壓的調(diào)節(jié)細度是由充電機來決定的。功率較小時，為保證充電的速度和穩(wěn)定性，采用先恒流后恒壓的方式進行充電。選用威思曼高壓電源模塊MRA5*100作為充電輸出。該電源模塊輸出最高電壓5 kV，輸出功率100 W。同時該模塊預留了數(shù)字控制端口以及模擬控制端口，表2為充電機模塊模擬控制端口。該模塊能夠很好地形成閉環(huán)充電，對輸出電壓電流進行控制，而且輸出電壓電流為無級調(diào)節(jié)的方式，能夠滿足對輸出電壓500 V調(diào)節(jié)細度的要求。

表2 充電機模塊模擬控制端口Tab.2 Analog control port of charging module

在此基礎上該模塊還預留了數(shù)字控制端口和安全互鎖功能，能夠?qū)崟r地對該模塊狀態(tài)進行控制和查看，在出現(xiàn)故障的情況下能夠及時鎖死以避免對系統(tǒng)造成大范圍的損壞。

4 仿真結果

等效電路仿真圖如圖8所示。仿真參數(shù)為：主電容0.167 μF/130 kV，回路等效電感6 μH，保護電阻1 kΩ，負載電容4 nF/10 MΩ。仿真結果如圖9、圖10所示。

圖8 等效電路仿真圖Fig.8 Simulation diagram of equivalent circuit

圖9 上升沿Fig.9 Rising edge

圖10 頂降Fig.10 Top down

由圖9可知，上升沿T（0.1-0.9）=5.5 μs；由圖10可知，頂降＜1%。

5 性能測試

測試條件如下：測試級數(shù)為25級串聯(lián)；測試工具為示波器（RIGOL MSO1104）、數(shù)字萬用表（FLUKE 15B+）、高壓隔離探頭NORTH STAR PVM-6、外溫槍（FLUKE 59Mini）。

驅(qū)動測試波形記錄如圖11、圖12所示。其中，圖11橫坐標時間為5 μs/格，圖12橫坐標時間為1 ms/格，縱坐標均為5 V/格。

圖11 驅(qū)動上升沿波形Fig.11 Waveform of the rising edge of drive

驅(qū)動波形上升沿時間5.3 μs，趨穩(wěn)電壓18 V，上升和保持期間波形無明顯振蕩，波形質(zhì)量良好，25級驅(qū)動波形一致性良好。

圖12 驅(qū)動全波Fig.12 Full wave form of drive

不同電壓等級放電波形實驗。測試條件：高壓直流電源供電AC 220 V/50 Hz，Marx主回路單級充電電壓見表3中參數(shù)。負載電容540 pF，連續(xù)重復充放電次數(shù)見表3，放電波形用高壓隔離探頭和示波器抓取，現(xiàn)抽取部分波形展示，如圖13和圖14所示（使用高壓隔離探頭NORTH STAR PVM-6測量）。

表3 不同電壓等級放電波形實驗參數(shù)Tab.3 Experimental parameters of discharge waveforms at different voltage levels

在以上各級充電電壓實驗中，電壓保持期間（設置時間5 ms）波形均平穩(wěn)，無明顯振蕩，25級串聯(lián)波形質(zhì)量良好，一致性良好。

圖13、圖14為每級充電1.9 kV下降沿波形和放電全波。其中，圖13橫坐標為5 μs/格，圖14橫坐標為2 ms/格，縱坐標均為10 kV/格。

圖13 每級充電1.9 kV下降沿波形Fig.13 The waveform of the descending edge at each charging stage is 1.9 kV

圖14 每級充電1.9 kV放電全波Fig.14 Full waveform of discharge at each charging stage is 1.9 kV

6 結論

一種驅(qū)動采用穩(wěn)壓管取電及高壓繼電器隔離的方波電壓源，基于固態(tài)Marx的基本拓撲，并采用高壓繼電器隔離的方式充電完成后，斷開充電回路，使得放電回路與充電回路完全隔離，有效保護了充電回路及充電機的安全，并有效解決了高壓放電的干擾問題。