劉 云

(淮南師范學(xué)院物理與電子信息系，安徽淮南 232038)

0 引 言

電力設(shè)備通常需要進(jìn)行直流高壓下的絕緣試驗，如測量它們的耐壓水平、泄漏電流等，一些高電壓試驗設(shè)備也需要直流高電壓作為電源，因此，直流高壓發(fā)生器是對高壓設(shè)備進(jìn)行絕緣監(jiān)測的重要儀器之一[1]。文中設(shè)計的新型直流高壓發(fā)生器基于高頻開關(guān)電源技術(shù)和DSP控制技術(shù)，具有便攜化和數(shù)字化的優(yōu)點。下面討論在研制過程中涉及到的3個關(guān)鍵問題。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本設(shè)計采用40 kH z的工作頻率，開關(guān)器件采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖中，輸入為220 V交流電壓，經(jīng)交流-直流-交流-直流4個環(huán)節(jié)得到直流高壓。

系統(tǒng)采用單相220 V交流市電供電，220 V交流電壓經(jīng)過工頻濾波后，進(jìn)入全橋整流電路，整流后的直流電壓約為310 V。310 V直流經(jīng)過半橋DC/DC變換后獲得連續(xù)可調(diào)范圍為0～150 V的直流電壓，該電壓經(jīng)DC/AC逆變電路逆變成40 kHz的方波電壓[2]。方波電壓經(jīng)過變比為1∶80的高頻變壓器進(jìn)行初級升壓，可以獲得最大值約為12 kV的脈沖電壓。接下來經(jīng)過兩個串聯(lián)的5級倍壓整流電路繼續(xù)升壓，最終得到幅值為200 kV的直流高壓[3-4]。

DSP部分完成系統(tǒng)控制功能。對半橋變換電路，DSP系統(tǒng)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(hù)動作信號，并實時地做出反應(yīng)，進(jìn)行控制。對于全橋逆變電路，DSP系統(tǒng)輸出控制信號，并接收保護(hù)動作信號，對全橋逆變電路的工作狀態(tài)進(jìn)行實時控制。DSP系統(tǒng)還要對泄漏電流和輸出電壓進(jìn)行測量，提供智能化的人機(jī)接口[5]。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

主電路采用半橋DC/DC變換電路和全橋逆變電路，功率開關(guān)器件為IGBT，由DSP產(chǎn)生PWM控制脈沖，大功率開關(guān)電路均需要在控制電路和功率電路之間加驅(qū)動電路來驅(qū)動開關(guān)管。由驅(qū)動電路對PWM控制脈沖進(jìn)行隔離和放大處理，以適應(yīng)IGBT驅(qū)動脈沖的要求。

IGBT的驅(qū)動電路可采用IR2110，IR2110是一種單片式集成驅(qū)動器，具有雙通道高壓、高速驅(qū)動功能，驅(qū)動頻率可達(dá)100 kHz，用于驅(qū)動工作電壓達(dá)500 V的N溝道MOSFET或IGBT。該驅(qū)動器將輸入數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成同相位低阻抗輸出的模擬驅(qū)動信號。

IR2110設(shè)有懸浮電源可自激運行;工作電壓范圍大;靜態(tài)功耗低;輸出柵極驅(qū)動電源范圍寬，適用范圍廣;循環(huán)邊沿觸發(fā)實現(xiàn)邏輯關(guān)斷;各通道均設(shè)有低壓延時鎖定;具備完善的抗干擾電路，電流耐受力大，安全性高等[6]。

因此，本系統(tǒng)選擇兩片IR2110來驅(qū)動全橋逆變電路中的4只IGBT開關(guān)器件。

IR2110驅(qū)動兩個IGBT的外圍接線圖如圖2所示。

圖2 全橋逆變驅(qū)動電路

在該電路中，變換器低端與IR2110的關(guān)閉端加有電流檢測電路。電路的關(guān)閉功能是鎖定的，這樣可以保證在負(fù)載電流通過功率IGBT內(nèi)部二極管衰減后，功率IGBT仍保持?jǐn)嚅_的狀態(tài)，鎖定只能在下個周期的開始才能復(fù)位。

3 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

直流高壓發(fā)生器主電路的功率管和二極管均工作在開關(guān)狀態(tài)，由于采用PWM控制技術(shù)，會產(chǎn)生較復(fù)雜的高次諧波，通過傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合3種通道進(jìn)行干擾，這是一個主要的噪聲源。此外變壓器繞組寄生電容在開關(guān)過程的突然充放電，也是噪聲的一個重要來源。下面提出噪聲抑制的幾點措施。

3.1 交流側(cè)濾波器

為了避免直流高壓發(fā)生器電路與外部電子設(shè)備之間的相互干擾，應(yīng)當(dāng)在交流輸入端加入線性濾波器。濾波電路如圖3所示。

圖3 線性濾波器電路

該濾波器對共模噪聲和差模噪聲都有效。

L1，L2，C1組成差模噪聲抑制電路，L1，L2的鐵芯應(yīng)工作于非飽和狀態(tài)。C1使用0.22μF的聚脂薄膜電容，有足夠的耐壓值。T，C2，C3構(gòu)成去除共模噪聲回路。T為共模電感，它是在同一個鐵芯上繞兩個匝數(shù)相等、方向相反的繞組，電源的往返電流在鐵芯中產(chǎn)生的磁通方向相反，相互抵消，對于電源相線和地線間的共模噪聲呈現(xiàn)高阻抗，對共模噪聲有良好的抑制作用。

3.2 直流側(cè)濾波器

為了減小直流高壓發(fā)生器的輸出噪聲，必須在直流輸出側(cè)串聯(lián)濾波器。常用的濾波器為感容濾波，在輸出端串入了濾波電感，并聯(lián)電解電容和無源電容。無源電容可取0.01μF或0.lμF。若在輸出端插入共模電感，濾波效果會更好。

如果輸出電流比較大時，會使共模電感導(dǎo)線太粗，可使用鐵氧體磁環(huán)作噪聲濾波器。鐵氧體磁環(huán)在直流或低頻下?lián)p耗很小，在高頻下，損耗增大，特別對1 MH z以上的噪聲更為有效[7]。其結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路如圖4所示。

這種鐵氧體的阻抗可表示為:

式中:R——等效電阻;

L——等效電感。

圖4 鐵氧體磁環(huán)噪音濾波

3.3 電路元件合理安裝降低噪聲

在電路板設(shè)計時要盡量使交流回路和直流輸出回路分開并遠(yuǎn)離。盡量縮短電流通路的途徑，減少相互交叉干擾。凡是含有大的電流、電壓變化率的元件(開關(guān)管、整流二極管)的回路面積應(yīng)盡可能小，以減小噪聲輻射源的有效區(qū)域。使用緩沖電路減少高頻開關(guān)元件的高頻電磁干擾[8]。盡可能減小旁路電容的引線電感;地線應(yīng)粗而短，信號線和主回路線分離等。

4 結(jié) 語

采用高頻開關(guān)電源技術(shù)和DSP控制技術(shù)研制成功的200 kV，2 mA直流高壓發(fā)生器，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備體積和重量小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點;使用方便，測量準(zhǔn)確，儀器智能化程度高。測試表明，樣機(jī)完全達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)工作良好。

[1] 周錄波，江秀臣，李立學(xué).便攜式智能直流高壓發(fā)生器的研制[J].高壓電器，2007，43(4):301-203.

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