基于平面變壓器的高電壓隔離變送器的設(shè)計(jì)與測試

郭志奇 管懷軍

(1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 100037， 北京； 2.上海浦東和普電子有限公司， 200126， 上海∥第一作者， 高級工程師)

大直流電流檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究，如直流高壓輸電、金屬電解、機(jī)車牽引、電動汽車、新能源及核動力和高能物理等領(lǐng)域[1]。現(xiàn)階段，大直流電流測量主要分為接觸式測量(如測量被測電流在已知電阻上電壓降的分流器)、非接觸式測量[2](如直流電流互感器、羅氏線圈、光學(xué)電流傳感器、霍爾電流傳感器等檢測被測電流建立的磁場)。

由于霍爾傳感器技術(shù)在應(yīng)用中存在易受環(huán)境影響、測量性能不穩(wěn)定、抗干擾性能差、存在零點(diǎn)漂移、成本較高等諸多問題，尚未達(dá)到軌道交通直流電流測量性能的要求；光電隔離放大裝置單級隔離電壓有限，無法滿足系統(tǒng)隔離耐壓要求；電磁隔離變壓器由于漏感的存在，無法同時滿足響應(yīng)時間、隔離耐壓、測量精度的要求。而實(shí)踐證明，目前分流器是更適合于地鐵大直流電流測量的簡單可靠方案。

軌道交通牽引供電高電壓隔離變送器工作在直流母線附近，這種強(qiáng)磁場線圈電磁工作環(huán)境較惡劣，這就必然要求數(shù)據(jù)采集和傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。基于我國軌道交通牽引供電系統(tǒng)的特殊性，如地鐵牽引系統(tǒng)要求隔離耐壓在AC 15 kV以上，高壓大功率系統(tǒng)中存在高共模電壓信號。長期以來，由于核心技術(shù)由國外公司掌握，國內(nèi)軌道交通牽引供電直流開關(guān)設(shè)備(包括配套的隔離變送器)主要依賴于進(jìn)口，運(yùn)行維護(hù)成本隨年限的增加而大幅增長，我國軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化需求迫切。

高隔離變送器具有采用電磁隔離式PWM(脈沖寬度調(diào)制)電路中傳遞脈寬信號的特點(diǎn)，使得傳輸準(zhǔn)確度幾乎不受采用變壓傳遞時有漏感的影響，適合高隔離監(jiān)測場合。

本文利用磁耦合技術(shù)，將大電流高電壓端的采樣信號隔離成為低電壓小電流信號，利用輸入信號的幅度控制PWM脈沖的信號寬度，將平面變壓器技術(shù)與感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換輸出，設(shè)計(jì)了一款高電壓隔離變送器。該變送器具有體積緊湊、高隔離電壓、高測量精度、高響應(yīng)速度、高可靠性等特點(diǎn)，其指標(biāo)達(dá)到我國軌道交通牽引供電系統(tǒng)直流測量應(yīng)用的要求。

1 設(shè)計(jì)原理

用PWM技術(shù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，通過改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓，通過與耦合互感器結(jié)合，可獲得高隔離電壓，且傳輸信號不受漏感影響，非常適合高隔離、高精度的電壓、電流檢測場合。在設(shè)計(jì)時將PWM技術(shù)與耦合互感器技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25890.7—2010要求的高電壓隔離變送器。

而將基于平板變壓器技術(shù)的耦合互感器應(yīng)用在PWM技術(shù)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換的隔離電路中時，MCU(微控制單元)通過控制程控放大器的增益、零點(diǎn)及閉環(huán)PWM電路的電源調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隔離變送器指標(biāo)Offset≤2 mV，Gain error≤0.1%；PWM信號進(jìn)入PCB(印刷電路板)內(nèi)嵌高隔離互感器電磁轉(zhuǎn)換后，送到PWM解調(diào)電路轉(zhuǎn)換成幅度信號，最后經(jīng)過電壓、電流放大電路輸出，解決了上述PWM信號的零點(diǎn)和增益的精確度及電磁干擾問題。

經(jīng)過試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用測試，所設(shè)計(jì)的高電壓隔離變送器脈沖寬度與輸入電壓Ui成正比(如圖1所示)，其線性度滿足強(qiáng)磁場環(huán)境和超量程下短路電流工況的測量要求。

本文設(shè)計(jì)的高電壓隔離變送器，基于高隔離PCB內(nèi)嵌互感器技術(shù)，將平面變壓器技術(shù)與感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)相結(jié)合,將互感器完全整合在印刷電路板內(nèi)，提高了能量密度，減小了互感器的體積，可以準(zhǔn)確地控制電參數(shù)。

初級線圈和次級線圈為具有相同諧振頻率、匝數(shù)比為1∶1的自諧振線圈。設(shè)計(jì)雙層蝸狀螺旋線圈如圖2所示。

圖1 脈沖寬度和輸入電壓Ui成正比例

圖2 高隔離PCB內(nèi)嵌磁耦合互感器結(jié)構(gòu)圖

采用PCB工藝，通過仿真計(jì)算，調(diào)整了線圈尺寸、匝數(shù)、線間距、寬度與厚度、基板厚度等參數(shù)，線圈自諧振頻率精確且穩(wěn)定。PCB的接地屏蔽層可有效抑制輻射噪聲對電路的干擾。

與傳統(tǒng)變壓器相比，平板變壓器采用小尺寸的E型高頻功率鐵氧體磁芯，繞組采用多層印制板疊繞而成，具有較低的直流銅阻和低的漏感。平板變壓器PCB線圈上下均有接地屏蔽層進(jìn)行全屏蔽，可減小對變送器傳輸信號的干擾，達(dá)到電磁兼容性要求。

基于上述高隔離PCB內(nèi)嵌互感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的HVT10000隔離變送器工作原理如圖3所示。首先利用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電流分流信號采集，經(jīng)放大電路，用于PWM電路輸出信號的幅度控制；然后經(jīng)過耦合互感器，PWM電路將信號轉(zhuǎn)換成包絡(luò)信號，經(jīng)放大電路輸出。

信號隔離電路設(shè)計(jì)流程如圖4所示，其由MCU控制電路、輸入信號程控放大器、PWM脈寬和幅度程控電路、耦合互感器、PWM解調(diào)電路、線性積分電路、輸出放大器等組成。通過MCU控制程控放大器的增益、零點(diǎn)、PWM幅度和脈寬，實(shí)現(xiàn)對輸入增益和零點(diǎn)控制。

說到做到，杰克馬上開始收拾行囊，蘇婷婷站在一邊，束著手，拿不定主意。杰克說：我先到機(jī)場，你回去拿了東西就來。蘇婷婷猶豫地：杰克，我總覺得咱這樣不好。杰克興奮地：你不覺得這樣很刺激嗎？跟美國大片一樣。蘇婷婷低下頭：是很刺激，可我爸媽要生氣的。杰克：咱下飛機(jī)就打電話跟爸媽道歉。好了，婷婷，咱們的浪漫之旅就要開始了，你要高興點(diǎn)才對。

圖3 隔離變送器工作原理圖

圖4 硬件電路設(shè)計(jì)流程圖

同樣采用上述PCB內(nèi)嵌互感器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的高隔離電源電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。輸入端供電電壓經(jīng)整流電路、PWM電路、平面變壓器、整流濾波電路，產(chǎn)生高精度的線性穩(wěn)壓電源后，為信號輸入電路和信號輸出電路供電。

圖5 隔離電源設(shè)計(jì)構(gòu)架圖

采用的隔離平面變壓器體積緊湊，實(shí)現(xiàn)了電源電路的高壓隔離，輸出多繞組結(jié)構(gòu)分別輸出±5 V、±15 V電壓。變壓器使用鐵氧體磁芯灌封在絕緣殼內(nèi)，滿足高耐壓要求。絕緣測試表明，其絕緣性能達(dá)到20 kV以上。

電路采用單片機(jī)控制PWM方波信號0點(diǎn)與占空比，通過調(diào)節(jié)運(yùn)放U1的輸出控制三角波與反相器正負(fù)門限電壓的交點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)對PWM波占空比的調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)如圖6所示，PWM波的占空比與VIN、VF、VCC相關(guān)。PWM波電路供電電壓VCC為V+和V-的電壓差。VCC調(diào)節(jié)的精度取決于單片機(jī)晶振的振蕩頻率和頻率精確度，且不依賴三角波邊沿的線性度，對元器件參數(shù)的容差能力強(qiáng)。

圖6 PWM調(diào)制解調(diào)電路

2 抗干擾措施與設(shè)計(jì)

隔離變送器工作在軌道交通牽引直流供電母線附近，這種環(huán)境必然要求數(shù)據(jù)采集和傳輸具有較強(qiáng)的抗干擾能力。為滿足地鐵牽引系統(tǒng)AC 15 kV以上隔離耐壓的要求，利用平板變壓器和PCB內(nèi)嵌互感器進(jìn)行信號隔離，增加接地屏蔽層，減少輻射噪聲的影響。輸入端采用低噪聲差分放大設(shè)計(jì)，抑制高壓大功率系統(tǒng)中存在的高共模電壓信號，通過電路板合理布局提高電路的抗干擾性能。采用禁用單片機(jī)通訊端口，設(shè)計(jì)單片機(jī)I/O(輸入/輸出)口濾波。整機(jī)采用低功耗設(shè)計(jì)，采用核心的兩級串聯(lián)穩(wěn)壓技術(shù)，通過單片機(jī)產(chǎn)生調(diào)節(jié)的信號使開關(guān)穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓，降低線性穩(wěn)壓電路的功耗；其他器件也均采用低功耗器件，電源輸入端采用低通濾波器，將開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波成分濾除，以提高裝置的穩(wěn)定度，進(jìn)一步適合高隔離監(jiān)測場合。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 溫度系數(shù)

該高隔離變送器的關(guān)鍵器件均采用低溫度系數(shù)的器件。該產(chǎn)品具有良好的溫度系數(shù)，溫度系數(shù)≤50×10-6℃-1。隔離變送器輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系圖如圖7所示。

圖7 隔離變送器輸出電流與環(huán)境溫度的關(guān)系圖

3.2 共模截止

該高隔離變送器具有良好的共模抑制比(CMRR)性能，在直流電壓輸入時，CMRR≥150 dB；交流50 Hz電信號輸入時，CMRR≥120 dB；瞬態(tài)電壓輸入時，T-CMRR≥115 dB(1 000 V，tr=1 μs)，如圖8所示。

圖8 隔離變送器CMRR性能對比

3.3 零點(diǎn)特性

該高隔離變送器選用低零點(diǎn)漂移的器件和精準(zhǔn)控制PWM電路電源的參考地電平，控制整機(jī)的零點(diǎn)偏移≤5 mV。

3.4 響應(yīng)時間

該高隔離變送器在滿足可靠性的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證可控制整機(jī)響應(yīng)時間≤110 μs。

3.5 傳導(dǎo)發(fā)射和敷設(shè)發(fā)射試驗(yàn)

傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。隔離變送器傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)頻譜如圖9所示。隔離變送器敷設(shè)發(fā)射試驗(yàn)頻譜如圖10所示。

表1 傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射試驗(yàn)

圖9 隔離變送器傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)頻譜圖

圖10 隔離變送器敷設(shè)發(fā)射試驗(yàn)頻譜圖

圖11為隔離變送器外觀圖，該模塊已順利通過權(quán)威實(shí)驗(yàn)室的電磁兼容及功能性試驗(yàn)，目前已經(jīng)在地鐵線路中應(yīng)用。

測試參數(shù)與國外產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)對比情況如表2所示。由表2可見，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品達(dá)到并超過國際同類產(chǎn)品水平。

表2 高壓隔離變送器主要技術(shù)參數(shù)對比表

圖11 隔離變送器外觀圖

4 結(jié)語

本文分析了目前軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)直流測量的現(xiàn)狀，并以電磁兼容為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種PWM調(diào)制解調(diào)的互感器用于高電壓電磁隔離的方法。所研制的基于脈沖幅度調(diào)制技術(shù)的隔離變送器，具有高精度、高隔離電壓、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。測試表明，該隔離變送器承受AC/DC的永久性電壓最高達(dá)3 600 V，快速瞬態(tài)電壓達(dá)AC 20 kV，滿足EN 61140標(biāo)準(zhǔn)在輸入輸出和電源間實(shí)施保護(hù)性隔離，適用于DC 3 000 V的直流軌道系統(tǒng)。輸入輸出和電源之間的隔離電壓、截止頻率、測量誤差、溫度系數(shù)、失調(diào)、紋波等核心參數(shù)均優(yōu)于國際知名品牌的產(chǎn)品，滿足直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)測量的要求。該隔離變送器已通過國家電氣檢測中心性能及電磁兼容試驗(yàn)，指標(biāo)均達(dá)到或超過國外同類產(chǎn)品，目前已在地鐵線路及直流輸配電工程中批量使用。應(yīng)用實(shí)踐表明，該設(shè)計(jì)產(chǎn)品適合最高DC 3 000 V的直流軌道系統(tǒng)。該產(chǎn)品也可應(yīng)用于工業(yè)直流配電、船舶軍艦推進(jìn)系統(tǒng)直流配電等直流配電領(lǐng)域。