高 文，肖海峰，喬社娟，馬 昭

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710077）

當(dāng)今社會(huì)，發(fā)展日新月異，各行各業(yè)對(duì)電力供電、電氣設(shè)備的依賴程度不斷加大，保證電力系統(tǒng)的正常供電，電氣設(shè)備的正常工作，是現(xiàn)實(shí)中十分必要的。 在日常維護(hù)過(guò)程中，檢測(cè)電力系統(tǒng)中變壓器、輸電線路和電氣設(shè)備的絕緣性能是最簡(jiǎn)單快捷的方法。 而在進(jìn)行絕緣測(cè)試時(shí)，多數(shù)設(shè)備儀器基本都需要使用直流高壓電源。 同時(shí)成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中也通常使用到直流高壓電源。 從應(yīng)用場(chǎng)景綜合考慮，一種簡(jiǎn)潔、方便的直流高壓電源，具有較大市場(chǎng)的需求， 故在此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款直流高壓電源。 該電源具有體積小、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)，而且精密可控、寬動(dòng)態(tài)范圍，使用場(chǎng)合豐富，通用性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)方案

測(cè)量絕緣電阻和成像系統(tǒng)高壓電源多被用作測(cè)試源或激勵(lì)源，要求具備高電壓、小電流的能力，為此設(shè)計(jì)了電壓10 kV， 電流2 mA 的直流高壓電源。 設(shè)計(jì)要求直流高壓電源成本低、控制簡(jiǎn)潔、使用方便。 系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

控制器作為系統(tǒng)的核心部分，控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的控制和接收反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，同時(shí)對(duì)外有通信接口和操作接口，可方便地實(shí)現(xiàn)與對(duì)外系統(tǒng)或者用戶的對(duì)接。

驅(qū)動(dòng)部分在控制電路和主功率拓?fù)潆娐分g，驅(qū)動(dòng)部分實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路輸出的PWM 脈沖進(jìn)行放大，足以驅(qū)動(dòng)功率電路動(dòng)作。 它也是電路的主要組成部分，同時(shí)也可以在此采取一定的保護(hù)措施。

主拓?fù)潆娐泛蜕龎鹤儔浩髟摬糠謱?shí)現(xiàn)了從低電壓到高電壓的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)時(shí)還要充分考慮高電壓設(shè)計(jì)所帶來(lái)的種種問(wèn)題。

倍壓電路該電路是實(shí)現(xiàn)最終高壓直流源的重要部分，倍壓電路的階數(shù)選擇、相關(guān)器件參數(shù)的選擇都將影響到實(shí)際的輸出效果。

采樣電路和調(diào)理電路它們共同完成輸出量到控制系統(tǒng)的反饋，為系統(tǒng)閉環(huán)控制不可缺少的部分。

2 主拓?fù)潆娐贩治?/h2>

對(duì)于所設(shè)計(jì)的直流高壓電源，主拓?fù)潆娐凡捎猛仆扉_(kāi)關(guān)電路， 整個(gè)系統(tǒng)由主控制器輸出PWM 脈沖，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大進(jìn)而對(duì)雙管進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制。 在系統(tǒng)中前段采用驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路，由此將驅(qū)動(dòng)功率管實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔ぷ鳌?具體的主拓?fù)潆娐啡鐖D2 所示。

圖2 主拓?fù)潆娐稦ig.2 Main topology circuit

如圖所示，主拓?fù)潆娐凡捎猛仆扉_(kāi)關(guān)電路。 電路由互補(bǔ)通斷的開(kāi)關(guān)管Q1，Q2以及升壓變壓器T1組成，后續(xù)電路采用倍壓整流電路，因此該部分可以使變壓器體積明顯減小。

T1變壓器原邊繞組作為主拓?fù)涞囊徊糠?，副邊繞組受原邊控制升壓輸出， 其主要工作過(guò)程如下：當(dāng)主控制器發(fā)出PWM 脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后， 高電平到達(dá)Q1的基極，控制Q1導(dǎo)通，此時(shí)保證Q2基極電平為低，Q2保持關(guān)斷；同理，當(dāng)Q2開(kāi)通時(shí)保持Q1關(guān)斷。

3 倍壓電路

由于倍壓電路在變壓器次級(jí)回路中的應(yīng)用，可以將變壓器副邊輸出的電壓值經(jīng)過(guò)倍壓電路后，達(dá)到原來(lái)電壓值的2 倍、4 倍，甚至8 倍，從而明顯地縮小了變壓器的體積，并且有效地降低了變壓器副邊首末端的電壓差，降低了變壓器副邊繞組線圈的纏繞難度和成本，有效降低了高壓風(fēng)險(xiǎn)[1]。

該設(shè)計(jì)的最大輸出電壓值為10 kV。 考慮到變壓器本身寄生參數(shù)及損耗等問(wèn)題，系統(tǒng)采用三階六倍壓電路，整個(gè)系統(tǒng)輸出可達(dá)到10 kV（通過(guò)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出），如圖3 所示。

圖3 實(shí)際采用的倍壓電路Fig.3 Actual voltage doubling circuit

當(dāng)變壓器副邊繞組輸出為上端正、 下端負(fù)時(shí)，變壓器繞組向圖3 所示的上面3 組（2 個(gè)電容并聯(lián)為1 組）電容進(jìn)行充電，此時(shí)電流的實(shí)際流向如圖4所示。

圖4 變壓器副邊繞組上端為正時(shí)的電流流向Fig.4 Current flow direction of transformer secondary windings with positive current at the upper end

當(dāng)變壓器副邊繞組輸出為上端負(fù)、 下端正時(shí)，變壓器繞組向圖3 所示的下面3 組（2 個(gè)電容并聯(lián)為1 組）電容進(jìn)行充電，此時(shí)電流的實(shí)際流向如圖5所示。

由于原邊推挽電路受控制器控制交替導(dǎo)通，所以副邊倍壓電路重復(fù)上述過(guò)程，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定后，圖5中C1，C2組電容兩端電壓為U， 而其余幾組電容兩端電壓都為2U。 因此，當(dāng)選取下端3 組電容的兩端為輸出端時(shí)，輸出電壓為6U。 在此，選取C11-C12電容組的右側(cè)為輸出端負(fù)，C3-C4電容組的左側(cè)為輸出端正。

圖5 變壓器副邊繞組上端為負(fù)時(shí)的電流流向Fig.5 Current flow direction when the upper end of transformer secondary winding is negative

倍壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但是倍壓階數(shù)對(duì)輸出紋波和帶負(fù)載時(shí)電壓跌落有較大的影響。 設(shè)輸出電流為I，每個(gè)電容的容量相同為C，開(kāi)關(guān)頻率為f， 電路階數(shù)為N （二倍壓為一階）， 則跌落電壓ΔU 和輸出電壓紋波Uripple[2]通常為

在此采用三階六倍壓電路， 負(fù)載要求2 mA，選取電容為0.1 μF，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，則計(jì)算的輸出紋波電壓和最大跌落電壓為

在設(shè)計(jì)中， 整流二極管選擇型號(hào)為2CL2FK，VRRM可達(dá)到10 kV，完全可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。而設(shè)計(jì)使用0.1 μF 電容，2 個(gè)并聯(lián)可保證輸出帶負(fù)載能力，由于高電壓電容容量的大小與價(jià)格也緊密相關(guān)， 故在設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮了電容的電壓等級(jí)、容量和成本等因素。

4 閉環(huán)控制

所設(shè)計(jì)的直流高壓電源可以根據(jù)設(shè)定輸出達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓。 主要采用的閉環(huán)控制方式如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖Fig.6 System closed loop control block diagram

整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)有采樣電路和信號(hào)調(diào)理電路，最終將輸出電壓采樣調(diào)理為0～3 V 的電壓信號(hào)，送入控制器的AD 端口， 控制器根據(jù)反饋的實(shí)際輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，將實(shí)際輸出電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較， 再根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整輸出PWM 脈沖的占空比，以確保輸出電壓的精準(zhǔn)和穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)實(shí)際拓?fù)浼翱刂撇呗赃M(jìn)行仿真，仿真結(jié)果較為理想，具體仿真輸出波形如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the system

5 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果

完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，根據(jù)某直流高壓電源項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)物設(shè)計(jì)與調(diào)試，制作了相關(guān)電路板。 直流高壓電源的實(shí)物照片如圖8 所示。

圖8 高壓直流源系統(tǒng)實(shí)物Fig.8 High pressure DC source system

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，將該系統(tǒng)分為控制驅(qū)動(dòng)板和高壓板。 考慮到整個(gè)系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到10 kV，分開(kāi)設(shè)計(jì)有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

在直流高壓電源實(shí)物的調(diào)試過(guò)程中，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況， 測(cè)試PWM 占空比對(duì)真實(shí)輸出電壓的影響， 在前期測(cè)試記錄數(shù)據(jù)為開(kāi)環(huán)測(cè)試，同時(shí)考慮項(xiàng)目后續(xù)更高電壓等級(jí)電源的設(shè)計(jì)，因此參數(shù)余量都較大。10 kV 測(cè)試需要專用的高壓探頭，而實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際測(cè)試采用高精度萬(wàn)用表串接在負(fù)載回路中測(cè)量實(shí)際電流值，進(jìn)而計(jì)算得出輸出電壓值。具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1， 其中實(shí)際測(cè)試負(fù)載為3 MΩ電阻。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Test data record

由表1 實(shí)際測(cè)試得到的真實(shí)數(shù)據(jù)可知，直流高壓電源的設(shè)計(jì)完全可滿足最初的設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓10 kV，帶負(fù)載能力達(dá)到2 mA（測(cè)試負(fù)載為3 MΩ 時(shí)可達(dá)3 mA）。

6 結(jié)語(yǔ)

直流高壓電源的設(shè)計(jì)，通過(guò)主控制器控制輸出PWM 脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路、主拓?fù)潆娐泛捅秹弘娐泛髮?shí)現(xiàn)高壓電源的輸出；當(dāng)采用單片機(jī)或DSP 等主控制器時(shí)， 便于與外部的通信及其他功能的實(shí)現(xiàn)，如實(shí)現(xiàn)單一的高壓電源模塊也可以采取SG3525 等專用控制芯片。 所設(shè)計(jì)直流高壓電源硬件電路簡(jiǎn)潔、成本低、對(duì)外接口少、操作方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了客戶需求。