一種放電打火保護電路的設(shè)計

摘要：直流高壓電源在制造及使用的過程中經(jīng)常由于放電打火產(chǎn)生突變輸出而損壞電源內(nèi)部器件，進而造成頻繁的維修更換。為解決這一問題，設(shè)計了一種用于直流高壓電源的放電打火保護電路，可通過互感原理檢測電源電路中出現(xiàn)的放電打火故障，并由保護電路產(chǎn)生放電打火信號，使可控硅與繼電器工作，通過減法器電路實現(xiàn)高壓電源輸出的突變抑制，從而使得高壓電源輸出維持在安全電壓值，并且可通過繼電器調(diào)節(jié)抑制持續(xù)時間，時間結(jié)束后電壓自動恢復(fù)到初始設(shè)定值。結(jié)果表明，放電打火檢測裝置電路結(jié)構(gòu)合理、靈敏可靠，在實現(xiàn)放電打火保護功能的同時滿足自恢復(fù)要求，為電源電路系統(tǒng)的安全運行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：直流高壓電源; 放電打火; 自恢復(fù); 繼電器

中圖分類號：TM81文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.16735862.2024.02.008

CUI Song LYU Yan CHEN Lanfeng DENG Yufu SHEN Ziyue ZHOU Renhui MENG Dechuan MA Yue WANG Erhu WU Haonan

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

（1. College of Physics Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Ray Instrumentation Professional Technology Innovation Center of Liaoning Province， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 3. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：In the process of manufacturing and use of DC highvoltage power supply， the internal devices of the power supply are often damaged by the abrupt output caused by the discharge ignition， and then the frequent maintenance and replacement are caused. In order to solve this problem， a discharge ignition protection circuit for DC highvoltage power supply is designed in this paper， the circuit detects the discharge ignition fault in the power supply circuit through the mutual inductance principle， and generates the ignition signal through the protection circuit. The thyristor is turned on and the relay works. The subtraction circuit is used to realize the mutation suppression of the highvoltage power supply output， so that the highvoltage power supply output is maintained at the safe voltage value. The suppression duration can be adjusted by the relay， and the voltage can be automatically restored to the initial set value after the time is over. The experimental results show that the discharge ignition detection device is sensitive， and the circuit meets the selfrecovery requirements while realizing the discharge ignition protection function. The circuit structure is reasonable， sensitive and reliable， which provides an effective guarantee for the safe operation of the power supply circuit system.

Key words：DC highvoltage power supply; discharge ignition; selfrecovery; relay

直流高壓電源是一種將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流高壓輸出的電能轉(zhuǎn)換裝置，在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、軍事與科學(xué)等越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著直流高壓電源的普及，電源的安全性受到了廣泛關(guān)注。為了提升安全性能，需要為高壓電源系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)保護電路，保護電路的可靠性直接決定了高壓直流電源本身及負載的安全性。在高壓電源的研制、生產(chǎn)及使用過程中常會出現(xiàn)放電打火故障，主要是由電源長時間未工作后開機或者電源在潮濕的環(huán)境下工作造成的。放電打火的其他故障原因包括：電容耐壓不夠及變壓器中絕緣油質(zhì)量問題導(dǎo)致的高壓電源內(nèi)部組件放電打火；灌封工藝中引入的氣泡也可能導(dǎo)致高壓器件內(nèi)部絕緣中發(fā)生局部放電［13］。高壓靜電吸附作用導(dǎo)致電源中存在灰塵的堆積，也會造成電源中絕緣器件的耐壓性降低。若不能及時發(fā)現(xiàn)電源電路中的放電打火故障并排除故障帶來的危害，會使高壓電源存在嚴重的安全隱患［4］ 。因此，在直流高壓電源系統(tǒng)中，放電打火檢測與保護電路的設(shè)計是必不可少的。

基于直流高壓電源電路中的放電打火現(xiàn)象，設(shè)計了一種可用于電源直流供電電路前端以及高壓采樣端的放電打火保護電路，包括放電打火檢測、放電打火保護及電壓自恢復(fù)等。結(jié)果表明，該電路結(jié)構(gòu)簡單，適用性強且安全可靠，可為直流高壓電源的正常工作提供有力保障。

1放電打火保護電路工作原理

放電打火保護電路由保護電路和自恢復(fù)電路兩部分組成，電路整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。電路運用互感原理通過磁環(huán)來檢測電源中的放電打火故障，放電打火發(fā)生后，穿過磁環(huán)中心的一次繞組中電流急劇變化，纏繞在磁環(huán)上的二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)過放電打火保護電路產(chǎn)生放

電打火信號。放電打火信號經(jīng)過跟隨比較電路導(dǎo)通可控硅，使繼電器工作，在繼電器組的相互配合下，接入高壓PID電路中的減法器動作，使得高壓PID的設(shè)定值減小，降低高壓電源輸出，實現(xiàn)電壓的突變抑制。抑制時間結(jié)束后，繼電器斷開，減法器回到初始狀態(tài)，恢復(fù)初始PID設(shè)定值，高壓電源輸出回到正常工作值。

2電路的實現(xiàn)

2.1放電打火檢測電路

實驗選取錳鋅磁環(huán)與銅線線圈構(gòu)成的一種電流互感器作為放電打火檢測裝置，該裝置可接入直流高壓電源供

電端進行放電打火信號檢測。放電打火檢測電路如圖3所示，穿過磁環(huán)中心回路為互感器一次繞組，纏繞在磁環(huán)上的銅線構(gòu)成的回路為互感器二次繞組。當(dāng)高壓電源發(fā)生放電打火故障后，直流供電母線信號突變，并引起一次繞組中電流發(fā)生變化，其所產(chǎn)生的磁通有一部分與二次繞組回路相環(huán)鏈，二次繞組環(huán)鏈的磁通也發(fā)生變化并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。利用互感原理，當(dāng)穿過磁環(huán)中心的一次繞組電流發(fā)生變化時，二次繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生放電打火信號，保護電路工作。

2.2開關(guān)管緩沖電路

開關(guān)管緩沖電路可用于消除或減小開關(guān)管通斷過程中存在的尖峰電壓，尖峰電壓使得開關(guān)管管芯內(nèi)部產(chǎn)生較大的尖峰電流，容易損壞開關(guān)管。因此，在電路中設(shè)置緩沖電路來吸收電源或負載產(chǎn)生的尖峰電壓，起到保護開關(guān)管的作用［5］。實驗中在放電打火檢測電路與開關(guān)管之間加入緩沖電路，防止電路中的突變電流和電壓過高擊穿或損壞開關(guān)管。緩沖電路由穩(wěn)壓二極管ZD1與分壓電阻R1，R2，R3，R4組成，如圖2所示。與普通二極管不同，穩(wěn)壓二極管是在反向擊穿的條件下導(dǎo)通，導(dǎo)通后端電壓幾乎不變。

2.3金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOSFET）驅(qū)動電路

放電打火保護電路中選取NMOSFET管AO3400作為開關(guān)器件，其結(jié)構(gòu)與極間電容分布如圖4所示。MOS （metaloxidesemiconductor）管通過柵極電壓VGS（voltage gradient standard）來控制漏極電流ID（continuous drain current），實際控制過程是通過柵極電壓來控制溝道電阻的變化，電阻的變化引起漏極電流的變化。

由于開關(guān)管中各極間存在著寄生電容，且MOS管的開關(guān)速度與MOS管輸入電容的充放電速度有關(guān)，MOS管輸入電容等于極間電容CGD、CGS之和，因此，在MOS管門極前加入電阻R5與電容C2并聯(lián)構(gòu)成的驅(qū)動電路，可以提升開關(guān)器件的工作效率，減少開關(guān)損耗［6］。如圖2所示，二極管D5導(dǎo)通，電路通過電阻R5為MOS管極間電容CGS充電，利用電容C2可獲得較大的脈沖驅(qū)動控制開關(guān)管的導(dǎo)通。

2.4繼電器組

繼電器作為一種電控制器件，它可以幫助電路實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)與安全保護的功能［79］。實驗中的繼電器組由普通繼電器與上電延時繼電器構(gòu)成，繼電器的狀態(tài)由接在普通繼電器線圈引腳上的可控硅的狀態(tài)決定。自恢復(fù)電路中繼電器組結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，J1為普通繼電器，實驗中利用了該繼電器的兩組轉(zhuǎn)換觸點，J2為上電延時繼電器。

正常工作狀態(tài)下，繼電器J1線圈呈不導(dǎo)通狀態(tài)，其兩組觸點皆為常開，繼電器J2線圈也是不導(dǎo)通狀態(tài)，觸點為常閉。

保護狀態(tài)下，放電打火信號使得可控硅導(dǎo)通，J1線圈導(dǎo)通，其常開觸點斷開，常閉觸點吸合，電阻R8，R9所在回路導(dǎo)通，減法器動作，減法器輸出電壓減小，使得高壓PID電路設(shè)定值和高壓電源輸出減小。與此同時，J2線圈導(dǎo)通，由于J2為上電延時繼電器，其常閉觸點依舊閉合，在繼電器設(shè)定時間內(nèi)保持觸點不動作，電路維持電壓抑制狀態(tài)。經(jīng)過延時繼電器設(shè)定時間后，J2常閉觸點斷開，J1線圈斷開，其觸點狀態(tài)由常閉變?yōu)槌ｉ_，J2線圈斷開，減法器反向端接地，返回初始狀態(tài)，電壓抑制結(jié)束，恢復(fù)初始高壓PID設(shè)定值，使高壓電源輸出回到正常工作狀態(tài)。

2.5減法器電路

2.6高壓PID電路

高壓PID電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，PID電路中運放模塊由12V輔助電源供電，電壓經(jīng)電容濾波后，進入由S8050組成的慢啟動電路［1112］。實驗中將減法器電路與慢啟動電路接入PID電路中，將負

高壓采樣值與PID電路中設(shè)定值的電壓偏差信號作為PID控制器的輸入，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)電路輸出去控制高壓電源輸出。

慢啟動電路可抑制電壓上升速率，提高電路穩(wěn)定性［13］。除了高壓PID電路中的慢啟動電路部分，實驗過程中還需在減法器輸出端接入慢啟動電路。如圖2所示，電路通過電阻R14給電容C4充電，三極管Q3的發(fā)射集正偏、集電極反偏，輸出電壓緩慢上升［14］。經(jīng)慢啟動電路輸出電壓所需上升時間T為

3實驗與分析

在放電打火保護電路實驗中，分別選取不同規(guī)格磁環(huán)，改變磁環(huán)上銅線纏繞匝數(shù)，測得不同條件下電路產(chǎn)生放電打火信號時穿過磁環(huán)中心一次繞組上的電壓。表1為不同條件下電路產(chǎn)生放電打火信號時的導(dǎo)通電壓值與導(dǎo)通電流值，一次繞組中負載兩端電壓稱為導(dǎo)通電壓，流經(jīng)負載的電流稱為導(dǎo)通電流。

根據(jù)表1可知，磁環(huán)大小不同、磁環(huán)上線圈纏繞的匝數(shù)不同，電路產(chǎn)生放電打火信號所需要的導(dǎo)通電壓也不同，磁環(huán)越小，匝數(shù)越少，所需導(dǎo)通電壓越低，且實驗測得外徑為38mm的磁環(huán)無法檢測到放電打火信號。

在打火保護自恢復(fù)電路實驗中，選取外徑為85mm的磁環(huán)接入電路，磁環(huán)上銅線纏繞匝數(shù)為100匝，此時，電路中檢測到放電打火信號所需的導(dǎo)通電壓為12.4V。表2為經(jīng)過多次實驗，依次改變放電打火保護自恢復(fù)電路中放電打火信號導(dǎo)通電壓值、高壓PID中電壓設(shè)定值，測量的高壓采樣電阻兩端電壓值變化以及電壓值變化所需時間。取電阻R8為10kΩ，R9為2kΩ，減法器動作，輸出電壓值減小

2V。其中，t1表示電路通電后，高壓采樣電阻兩端電壓從零緩慢增加到設(shè)定值的時間；示數(shù)1表示經(jīng)t1時間后高壓采樣電阻兩端電壓；示數(shù)2表示減法器工作時高壓采樣電阻兩端電壓；示數(shù)3表示繼電器斷開，經(jīng)PID電路調(diào)節(jié)后高壓采樣電阻兩端電壓；t2表示從電路出現(xiàn)放電打火，減法器輸出電壓減小到電壓恢復(fù)初始設(shè)定值所需要的時間。

由表2可知，多次實驗均滿足電路設(shè)計要求，當(dāng)電路中出現(xiàn)放電打火現(xiàn)象時，減法器工作，高壓電源輸出減小，采樣電阻兩端電壓減小，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)電路，高壓電源輸出電壓恢復(fù)到初始值。通過設(shè)置電阻R8與R9阻值大小比例關(guān)系，確定減法器電路輸出調(diào)節(jié)電壓的下降數(shù)值。實驗結(jié)果表明，放電打火保護電路反應(yīng)靈敏且安全可靠。

4結(jié)論

本文為了解決直流高壓電源系統(tǒng)中的放電打火現(xiàn)象，設(shè)計了放電打火保護電路。經(jīng)過實驗證明，放電打火檢測裝置能夠迅速且可靠地檢測出電路中的放電打火現(xiàn)象，電路實現(xiàn)了對開關(guān)管的驅(qū)動、緩沖保護及自恢復(fù)式保護。當(dāng)放電打火現(xiàn)象消失后，電壓恢復(fù)到初始設(shè)定值，使設(shè)備可以持續(xù)工作，有效地解決了電源出現(xiàn)放電打火引起的安全問題，在直流高壓電源系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

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