一種直流高壓電源的設(shè)計實現(xiàn)

朱亦丹，張小偉

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州，225101）

1 工作原理與方案組成

眾所周知，在電力系統(tǒng)中采用絕緣測試時的電阻測量以及成像系統(tǒng)所采用的高壓電源皆為直流高壓電源，往往作為測試源或激勵源。因此，該類直流高壓電源必須具備電壓較高、電流較小的基本特征。因此，本文設(shè)計了電壓為10kV、電流為2mA的直流高壓電源，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。在本文探究的直流高壓電源設(shè)計方案中，主要包括控制器、驅(qū)動部分、主拓撲電路、升壓變壓器、倍壓電路、調(diào)理電路和采樣電路等諸多結(jié)構(gòu)。就直流高壓電源設(shè)計系統(tǒng)中的驅(qū)動部分而言，該電路位于控制電路和主功率拓撲電路之間，驅(qū)動部分將實現(xiàn)對整個直流高壓電源系統(tǒng)控制電路輸出的PWM脈沖信號的放大與驅(qū)動，保證整個電路系統(tǒng)驅(qū)動功率滿足電路作用功能。同時，驅(qū)動電路也是整個電源系統(tǒng)的重要組成部分，能夠在驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)中采取相應(yīng)保護措施，保護整個直流高壓電源結(jié)構(gòu)功能滿足的同時，使電路系統(tǒng)呈現(xiàn)安全平穩(wěn)運行狀態(tài)。

圖1 直流高壓電源設(shè)計方案圖

2 主拓撲電路分析

主拓撲電路設(shè)計是本文所設(shè)計的直流高壓電源的重要組成部分，主要應(yīng)用于聯(lián)通或斷開整個電路開關(guān)。也就是說，本文采用的直流高壓電源系統(tǒng)主控制器在輸入PMW脈沖信號后，主要借助驅(qū)動電路放大，對其進行雙管管制，達到電源電路開通或斷開的控制作用。在整個電源系統(tǒng)中，前半階段采用驅(qū)動電路及保護電路方式，驅(qū)動功率管實現(xiàn)拓撲電路的相關(guān)功能，具體主拓撲電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，主拓撲電路采用推挽開關(guān)電路形式，由互相補充的斷開或接通開關(guān)管、升壓變壓器組成，后續(xù)電源電路則采用倍壓整流電路方式，既能使變壓器體積得到大幅度縮減，又不影響整個電源電路結(jié)構(gòu)功能的正常發(fā)揮。在主拓撲電路運行時，由于變壓器原邊繞組是主拓撲電路結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而副邊繞組則進一步受到變壓器原邊繞組控制，在電壓升高時呈現(xiàn)輸出狀態(tài)。整個工作流程如下：當主拓撲控制電路器發(fā)出一定的PWM脈沖信號后，該脈沖信號進一步經(jīng)過驅(qū)動電路，而較高的電平壓力則到達電路結(jié)構(gòu)圖中的Q1，控制Q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，保證Q2電平處于低電位狀態(tài)，同時使Q2處于斷開狀態(tài)，實現(xiàn)整個主拓撲控制電路功能的正常實現(xiàn)。

圖2 主拓撲電路結(jié)構(gòu)圖

3 倍壓電路

由于倍壓電路在整個直流高壓電源結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中處于次級回應(yīng)電路，因此，可將變壓器的副邊輸出電壓值經(jīng)過倍壓電路升壓后達到原本電壓值的2倍、4倍、8倍、16倍甚至更多倍速，明顯縮小傳統(tǒng)模式下不采用倍壓電路時的變壓器體積，有效降低由于電壓器副邊繞組線圈的纏繞難度和運行成本，降低直流高壓電源供電測試的高壓風險。在本文設(shè)計過程中，由于最大輸出電壓值為10kV，故考慮變壓器本身所擁有參數(shù)及損耗問題，直流高壓電源系統(tǒng)采用三節(jié)六倍壓電路，整個系統(tǒng)能夠輸出高達10kV的穩(wěn)定電壓。

在直流高壓電源系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)中，當變壓器的副邊繞組輸出為上端正電流、下端負電流時，變壓器的繞組上的并聯(lián)電容和串聯(lián)電容接將進入充電狀態(tài)，此時的電流實際流向?qū)l(fā)生變化。當變壓器副邊繞組輸出為上端負電流下端正電流時，變壓器的繞組方向又將進一步發(fā)生變化。由于高壓直流電源系統(tǒng)中推挽電路受到控制器的交替控制與導(dǎo)向疏通作用，因此，副邊倍壓電路將會進一步重復(fù)上述輸出端正負值變化過程，直到整個副邊變壓器處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時的電容兩端電壓將處于穩(wěn)定狀態(tài)。總而言之，在直流高壓電源系統(tǒng)設(shè)計過程中，倍壓電路結(jié)構(gòu)簡單，功能實現(xiàn)方便靈活，但倍壓電路對整個直流高壓電路系統(tǒng)輸出紋波和帶負載時的電壓跌落存在著較大影響。

4 閉環(huán)控制

為保證直流高壓電源系統(tǒng)設(shè)計功能的快速實現(xiàn)，本文采用的直流高壓電源可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輸出值達到穩(wěn)定的輸出電壓，因此，主要采用閉環(huán)控制方式，其原理框架如圖3所示。由于直流高壓電源系統(tǒng)設(shè)計時具備采樣電路和信號調(diào)理電路，因此，將最終輸出值對應(yīng)的高壓電源系統(tǒng)電壓采樣調(diào)理為0～3V，將電壓信號送入控制器的某一端口，控制器根據(jù)反饋得到實際輸出電壓值，將實際值與預(yù)測值進行對比后分析進行閉環(huán)控制，再進一步根據(jù)實際輸出電壓值和設(shè)定電壓值的比較結(jié)果，調(diào)整輸出的PWM脈沖信號占空比，保證整個直流高壓電源系統(tǒng)電壓輸出的精確性與穩(wěn)定性。

圖3 閉環(huán)控制原理框架圖

5 系統(tǒng)測試及結(jié)果討論

在完成直流高壓電源系統(tǒng)設(shè)計后，根據(jù)某直流高壓電源項目進行了實物設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試，制作了對應(yīng)電路板，將實際拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略進行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果較為理想，且具體仿真輸出波形圖結(jié)構(gòu)符合預(yù)期目標。在直流高壓電源系統(tǒng)的實際調(diào)試過程中，考慮直流高壓電源系統(tǒng)的整體設(shè)計情況，測試PWM占空比對真實輸出電壓值的具體影響。在前期的測試過程中，由于測試數(shù)據(jù)為開環(huán)數(shù)據(jù)，且考慮整個直流高壓系統(tǒng)項目后續(xù)更高壓等級電源的設(shè)計發(fā)展，因此，所有參數(shù)余量設(shè)置較大。在10kV的測試需要基礎(chǔ)上，采用專用的高壓探頭和高精度的萬用表串接負荷回路，測試整個直流高壓電路的實際電流值，計算得到輸出電壓值。具體測量結(jié)果如表1所示，實際測量時的電阻負荷為3M歐姆。由表可知，直流高壓電源設(shè)計完全滿足初始設(shè)計初衷，有效實現(xiàn)了輸出電壓10kV的負荷能力，為直流高壓電源設(shè)計及其后期測試激勵應(yīng)用提供了重要參考。

表1 測量結(jié)果示意