一種放電打火保護電路的設計

摘要：直流高壓電源在制造及使用的過程中經常由于放電打火產生突變輸出而損壞電源內部器件，進而造成頻繁的維修更換。為解決這一問題，設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的放電打火故障，并由保護電路產生放電打火信號，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節抑制持續時間，時間結束后電壓自動恢復到初始設定值。結果表明，放電打火檢測裝置電路結構合理、靈敏可靠，在實現放電打火保護功能的同時滿足自恢復要求，為電源電路系統的安全運行提供了有力保障。

關鍵詞：直流高壓電源; 放電打火; 自恢復; 繼電器

中圖分類號：TM81文獻標志碼：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換為直流高壓輸出的電能轉換裝置，在醫療、農業、軍事與科學等越來越多的領域發揮著重要作用。隨著直流高壓電源的普及，電源的安全性受到了廣泛關注。為了提升安全性能，需要為高壓電源系統設計相應保護電路，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、生產及使用過程中常會出現放電打火故障，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量問題導致的高壓電源內部組件放電打火；灌封工藝中引入的氣泡也可能導致高壓器件內部絕緣中發生局部放電［13］。高壓靜電吸附作用導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。若不能及時發現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中，放電打火檢測與保護電路的設計是必不可少的。

基于直流高壓電源電路中的放電打火現象，設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等。結果表明，該電路結構簡單，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電路兩部分組成，電路整體結構如圖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來檢測電源中的放電打火故障，放電打火發生后，穿過磁環中心的一次繞組中電流急劇變化，纏繞在磁環上的二次繞組中產生感應電流，經過放電打火保護電路產生放

電打火信號。放電打火信號經過跟隨比較電路導通可控硅，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的設定值減小，降低高壓電源輸出，實現電壓的突變抑制。抑制時間結束后，繼電器斷開，減法器回到初始狀態，恢復初始PID設定值，高壓電源輸出回到正常工作值。

2電路的實現

2.1放電打火檢測電路

實驗選取錳鋅磁環與銅線線圈構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，穿過磁環中心回路為互感器一次繞組，纏繞在磁環上的銅線構成的回路為互感器二次繞組。當高壓電源發生放電打火故障后，直流供電母線信號突變，并引起一次繞組中電流發生變化，其所產生的磁通有一部分與二次繞組回路相環鏈，二次繞組環鏈的磁通也發生變化并產生感應電動勢。利用互感原理，當穿過磁環中心的一次繞組電流發生變化時，二次繞組上產生感應電流，產生放電打火信號，保護電路工作。

2.2開關管緩沖電路

開關管緩沖電路可用于消除或減小開關管通斷過程中存在的尖峰電壓，尖峰電壓使得開關管管芯內部產生較大的尖峰電流，容易損壞開關管。因此，在電路中設置緩沖電路來吸收電源或負載產生的尖峰電壓，起到保護開關管的作用［5］。實驗中在放電打火檢測電路與開關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管。緩沖電路由穩壓二極管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，穩壓二極管是在反向擊穿的條件下導通，導通后端電壓幾乎不變。

2.3金屬氧化物半導體場效應晶體管（metaloxidesemiconductor fieldeffect transistor，MOSFET）驅動電路

放電打火保護電路中選取NMOSFET管AO3400作為開關器件，其結構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。

由于開關管中各極間存在著寄生電容，且MOS管的開關速度與MOS管輸入電容的充放電速度有關，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并聯構成的驅動電路，可以提升開關器件的工作效率，減少開關損耗［6］。如圖2所示，二極管D5導通，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動控制開關管的導通。

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自動調節與安全保護的功能［79］。實驗中的繼電器組由普通繼電器與上電延時繼電器構成，繼電器的狀態由接在普通繼電器線圈引腳上的可控硅的狀態決定。自恢復電路中繼電器組結構如圖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換觸點，J2為上電延時繼電器。

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

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

2.5減法器電路

2.6高壓PID電路

高壓PID電路結構框圖如圖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電路中設定值的電壓偏差信號作為PID控制器的輸入，經過PID調節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的發射集正偏、集電極反偏，輸出電壓緩慢上升［14］。經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，分別選取不同規格磁環，改變磁環上銅線纏繞匝數，測得不同條件下電路產生放電打火信號時穿過磁環中心一次繞組上的電壓。表1為不同條件下電路產生放電打火信號時的導通電壓值與導通電流值，一次繞組中負載兩端電壓稱為導通電壓，流經負載的電流稱為導通電流。

根據表1可知，磁環大小不同、磁環上線圈纏繞的匝數不同，電路產生放電打火信號所需要的導通電壓也不同，磁環越小，匝數越少，所需導通電壓越低，且實驗測得外徑為38mm的磁環無法檢測到放電打火信號。

在打火保護自恢復電路實驗中，選取外徑為85mm的磁環接入電路，磁環上銅線纏繞匝數為100匝，此時，電路中檢測到放電打火信號所需的導通電壓為12.4V。表2為經過多次實驗，依次改變放電打火保護自恢復電路中放電打火信號導通電壓值、高壓PID中電壓設定值，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定值的時間；示數1表示經t1時間后高壓采樣電阻兩端電壓；示數2表示減法器工作時高壓采樣電阻兩端電壓；示數3表示繼電器斷開，經PID電路調節后高壓采樣電阻兩端電壓；t2表示從電路出現放電打火，減法器輸出電壓減小到電壓恢復初始設定值所需要的時間。

由表2可知，多次實驗均滿足電路設計要求，當電路中出現放電打火現象時，減法器工作，高壓電源輸出減小，采樣電阻兩端電壓減小，經過PID調節電路，高壓電源輸出電壓恢復到初始值。通過設置電阻R8與R9阻值大小比例關系，確定減法器電路輸出調節電壓的下降數值。實驗結果表明，放電打火保護電路反應靈敏且安全可靠。

4結論

本文為了解決直流高壓電源系統中的放電打火現象，設計了放電打火保護電路。經過實驗證明，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象，電路實現了對開關管的驅動、緩沖保護及自恢復式保護。當放電打火現象消失后，電壓恢復到初始設定值，使設備可以持續工作，有效地解決了電源出現放電打火引起的安全問題，在直流高壓電源系統中具有廣泛的應用前景。

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【責任編輯：封文江】