一種新型直流高壓發生器的研制

劉 云 （淮南師范學院物理與電子信息系，安徽 淮南232038）

直流高壓發生器廣泛應用于電力系統絕緣預防性試驗，如研究直流高壓輸電系統中換流站設備和絕緣材料在直流高電壓下的絕緣強度、直流輸電線路電暈效應以及進行高壓電力設備的電氣絕緣強度和泄漏電流檢測等。直流高壓發生器還可以為一些高壓試驗設備如沖擊電壓／電流發生器、振蕩回路等提供直流高壓電源。因此，直流高壓發生器是進行高電壓試驗的關鍵性儀器［1］。傳統直流高壓發生器都是將交流市電經變壓器升壓、整流濾波來獲得直流高電壓，其體積和重量都很大、工作穩定性差、效率低。針對上述情況，筆者應用高頻開關電源技術和DSP（數字信號處理器）控制技術，設計了一種新型直流高壓發生器。

1 整體設計方案

直流高壓發生器整體設計框圖如圖1所示。系統采用單相220V交流市電供電，220V交流電壓經過工頻濾波后，進入全橋整流電路，整流后的直流電壓約為310V。310V直流電經過半橋DC／DC變換后獲得連續可調范圍為0～150V的直流電壓，該電壓經DC／AC逆變電路逆變成40kHz的方波電壓。方波電壓經過變比為1∶80的高頻變壓器進行初級升壓，可以獲得最大值約為12kV的脈沖電壓。再經過2個串聯的5級倍壓整流電路繼續升壓，最終得到幅值為200kV的直流高壓。

控制部分以DSP為核心進行系統控制。對半橋變換電路，DSP提供電壓輸出的給定信號，同時接收半橋變換電路傳遞過來的保護動作信號，并實時地作出反應；對于全橋逆變電路，DSP輸出控制信號并接收保護動作信號，對全橋逆變電路的工作狀態進行實時控制。此外，DSP還對泄漏電流和輸出電壓進行測量，提供智能化的人機接口［2］。

圖1 直流高壓發生器整體設計框圖

2 功率電路設計

功率主電路部分主要包括整流濾波電路、半橋變換電路、全橋逆變電路、高頻升壓變壓器、正負雙向倍壓整流電路。利用高頻技術，使工作頻率高達40kHz，可以減小鐵芯、高壓線包的體積，從而減小設備重量和體積。采用變壓器升壓結合倍壓整流的方式，既大大提升了輸出直流電壓值又降低了紋波系數。該電路中較為關鍵的直流變換部分和倍壓整流部分的設計過程如下。

2．1 半橋變換電路

根據所要設計的直流高壓發生器的特點，直流變換器不能將300V直流電直接變為最大值為150V的直流電，需要先將直流電逆變為交流電，再將交流電整流為直流電，即采用間接直流變流電路。交流環節需要采取較高的工作頻率，以便減小電路設備的體積和重量。因為人的聽覺上限為20kHz，所以工作頻率至少應高于該上限以避免產生刺耳的噪聲。綜合考慮多方面因素，選擇電路的工作頻率為40kHz。設計功率為400W，屬于中小功率電源。為保證儀器正常運行，間接直流變流電路部分輸出功率應大于500W。為了降低設計難度和成本，提高儀器性能，可采用半橋電路作為電路拓撲結構，其電路圖如圖2所示［3］。電路工作原理如下。變壓器原邊電路的2端分別與電容器C1、C2的中點和開關管T1、T2的中點相連接，工作頻率40kHz。2只電容器電容大小相同并構成一個分壓電路，其中點電壓為輸入直流電壓 （300V）的一半，即150V。改變開關管T1、T2的占空比，就能改變變壓器副邊整流后電壓的平均值，從而改變輸出電壓值。

圖2 半橋電路圖

2．2 正負雙向倍壓整流電路

圖3 正負雙向倍壓整流電路

在經過原副邊匝數比為1：80升壓變壓器初次升壓后，輸出12kV的交流方波電壓，再通過反向串聯的2個5級倍壓整流電路實現正負雙向倍壓作用，能夠輸出240kV的直流高壓。盡管電路內部存在壓降，但仍然足夠達到設計的目標輸出值。圖3所示為正負雙向倍壓整流電路。選擇正負雙向倍壓整流電路，即采用1個正向5級與1個負向5級倍壓電路串聯的方式，而不是直接采用1個10級 （20倍壓）的倍壓整流電路，其原因如下：①可以減小倍壓整流電路上的壓降以及由于電容放電引起的電壓的波動，從而提高設備的穩定性和可靠性。②可以實現電壓輸出的分節，既可在高電壓條件下使用，也可在較低電壓條件下使用，且精密度相同，可供使用者靈活選擇應用。單節使用時，輸出為100kV／4mA，適用于相對較低電壓等級下的直流試驗，其準確性高；2節共同使用時，輸出為200kV／2mA，多用于高電壓等級下高壓電力設備的直流耐壓試驗。

3 控制電路設計

為了能使直流高壓發生器正常工作，除了主電路之外，還必須依靠控制電路按照儀器控制要求形成控制信號，通過驅動電路對主電路中開關器件的通斷進行控制，從而實現儀器的相關功能［4］。

選用TMS320LF2407型DSP芯片作為控制核心，通過控制PWM信號對直流高壓發生器的半橋調壓電路、全橋逆變電路以及輸出電壓電流實現閉環控制，并實現對儀器的電氣保護。

PWM控制電路主要完成以下功能，即IGBT器件驅動信號的產生、過電壓／過電流保護和測壓信號的數顯。除了驅動電路，還包括電壓電流采樣電絡、保護電路、光藕隔離電路等。其控制電路圖如圖4所示。

圖4 控制電路圖

圖5 仿真輸出波形

4 仿真試驗

半橋變換電路進行調壓并輸出幅值為150V的直流電壓，最大功率Pomax＝400W，通過計算得出輸出電阻為56Ω。因為驅動脈沖的占空比最大不得超過50%，所以單個驅動脈沖的占空比取為45%。仿真時間取為6ms，繪制輸出電壓響應曲線，得到仿真結果如圖5所示。從圖5可以看出，輸出電壓迅速波動上升，最后穩定停留在150V左右。該仿真結果表明電路輸出可以滿足設計要求。

5 結 語

采用高頻開關電源技術和DSP控制技術進行新型直流高壓發生器的研制，該儀器具有電路結構簡單、設備體積和重量小以及穩定性好的特點。其倍壓電路部分采用分節式結構，單節使用時適用于相對較低電壓等級下的直流試驗；2節同時使用時適用于高電壓等級下高壓電力設備的直流耐壓試驗，并且精度不變，即不同電壓等級下都能使用，方便用戶在不同場合進行靈活選擇。仿真試驗表明，設計達到預期效果。研制的樣機經過實際應用，也能夠滿足設計要求。

［1］周錄波，江秀臣，李立學 ．便攜式智能直流高壓發生器的研制 ［J］．高壓電器，2007，43（4）：301-303．

［2］張立，祝龍記，李莉 ．基于DSP的連續可調高壓直流電源的研究 ［J］．煤礦現代化，2008（2）：37-38．

［3］王兆安，黃俊 ．電力電子技術 ［M］．北京：機械工業出版社，2002．

［4］江秀臣，周錄波，曾奕，等 ．直流高壓發生器設計中的四個關鍵問題 ［J］．高電壓技術，2007，33（6）：85-88．