新型直流高压发生器研制中的3个关键问题

刘 云

(淮南师范学院物理与电子信息系，安徽淮南 232038)

0 引 言

电力设备通常需要进行直流高压下的绝缘试验，如测量它们的耐压水平、泄漏电流等，一些高电压试验设备也需要直流高电压作为电源，因此，直流高压发生器是对高压设备进行绝缘监测的重要仪器之一[1]。文中设计的新型直流高压发生器基于高频开关电源技术和DSP控制技术，具有便携化和数字化的优点。下面讨论在研制过程中涉及到的3个关键问题。

1 系统整体方案设计

本设计采用40 kH z的工作频率，开关器件采用IGBT(绝缘栅双极晶体管)。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

图中，输入为220 V交流电压，经交流-直流-交流-直流4个环节得到直流高压。

系统采用单相220 V交流市电供电，220 V交流电压经过工频滤波后，进入全桥整流电路，整流后的直流电压约为310 V。310 V直流经过半桥DC/DC变换后获得连续可调范围为0～150 V的直流电压，该电压经DC/AC逆变电路逆变成40 kHz的方波电压[2]。方波电压经过变比为1∶80的高频变压器进行初级升压，可以获得最大值约为12 kV的脉冲电压。接下来经过两个串联的5级倍压整流电路继续升压，最终得到幅值为200 kV的直流高压[3-4]。

DSP部分完成系统控制功能。对半桥变换电路，DSP系统提供电压输出的给定信号，同时接收半桥变换电路传递过来的保护动作信号，并实时地做出反应，进行控制。对于全桥逆变电路，DSP系统输出控制信号，并接收保护动作信号，对全桥逆变电路的工作状态进行实时控制。DSP系统还要对泄漏电流和输出电压进行测量，提供智能化的人机接口[5]。

2 驱动电路设计

主电路采用半桥DC/DC变换电路和全桥逆变电路，功率开关器件为IGBT，由DSP产生PWM控制脉冲，大功率开关电路均需要在控制电路和功率电路之间加驱动电路来驱动开关管。由驱动电路对PWM控制脉冲进行隔离和放大处理，以适应IGBT驱动脉冲的要求。

IGBT的驱动电路可采用IR2110，IR2110是一种单片式集成驱动器，具有双通道高压、高速驱动功能，驱动频率可达100 kHz，用于驱动工作电压达500 V的N沟道MOSFET或IGBT。该驱动器将输入数字信号转换成同相位低阻抗输出的模拟驱动信号。

IR2110设有悬浮电源可自激运行;工作电压范围大;静态功耗低;输出栅极驱动电源范围宽，适用范围广;循环边沿触发实现逻辑关断;各通道均设有低压延时锁定;具备完善的抗干扰电路，电流耐受力大，安全性高等[6]。

因此，本系统选择两片IR2110来驱动全桥逆变电路中的4只IGBT开关器件。

IR2110驱动两个IGBT的外围接线图如图2所示。

图2 全桥逆变驱动电路

在该电路中，变换器低端与IR2110的关闭端加有电流检测电路。电路的关闭功能是锁定的，这样可以保证在负载电流通过功率IGBT内部二极管衰减后，功率IGBT仍保持断开的状态，锁定只能在下个周期的开始才能复位。

3 系统抗干扰设计

直流高压发生器主电路的功率管和二极管均工作在开关状态，由于采用PWM控制技术，会产生较复杂的高次谐波，通过传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合3种通道进行干扰，这是一个主要的噪声源。此外变压器绕组寄生电容在开关过程的突然充放电，也是噪声的一个重要来源。下面提出噪声抑制的几点措施。

3.1 交流侧滤波器

为了避免直流高压发生器电路与外部电子设备之间的相互干扰，应当在交流输入端加入线性滤波器。滤波电路如图3所示。

图3 线性滤波器电路

该滤波器对共模噪声和差模噪声都有效。

L1，L2，C1组成差模噪声抑制电路，L1，L2的铁芯应工作于非饱和状态。C1使用0.22μF的聚脂薄膜电容，有足够的耐压值。T，C2，C3构成去除共模噪声回路。T为共模电感，它是在同一个铁芯上绕两个匝数相等、方向相反的绕组，电源的往返电流在铁芯中产生的磁通方向相反，相互抵消，对于电源相线和地线间的共模噪声呈现高阻抗，对共模噪声有良好的抑制作用。

3.2 直流侧滤波器

为了减小直流高压发生器的输出噪声，必须在直流输出侧串联滤波器。常用的滤波器为感容滤波，在输出端串入了滤波电感，并联电解电容和无源电容。无源电容可取0.01μF或0.lμF。若在输出端插入共模电感，滤波效果会更好。

如果输出电流比较大时，会使共模电感导线太粗，可使用铁氧体磁环作噪声滤波器。铁氧体磁环在直流或低频下损耗很小，在高频下，损耗增大，特别对1 MH z以上的噪声更为有效[7]。其结构和应用电路如图4所示。

这种铁氧体的阻抗可表示为:

式中:R——等效电阻;

L——等效电感。

图4 铁氧体磁环噪音滤波

3.3 电路元件合理安装降低噪声

在电路板设计时要尽量使交流回路和直流输出回路分开并远离。尽量缩短电流通路的途径，减少相互交叉干扰。凡是含有大的电流、电压变化率的元件(开关管、整流二极管)的回路面积应尽可能小，以减小噪声辐射源的有效区域。使用缓冲电路减少高频开关元件的高频电磁干扰[8]。尽可能减小旁路电容的引线电感;地线应粗而短，信号线和主回路线分离等。

4 结 语

采用高频开关电源技术和DSP控制技术研制成功的200 kV，2 mA直流高压发生器，具有电路结构简单、设备体积和重量小、稳定性好等优点;使用方便，测量准确，仪器智能化程度高。测试表明，样机完全达到设计标准，系统工作良好。

[1] 周录波，江秀臣，李立学.便携式智能直流高压发生器的研制[J].高压电器，2007，43(4):301-203.

[2] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2002.

[3] 江秀臣，周录波，曾奕，等.直流高压发生器设计中的四个关键问题[J].高电压技术，2007，33(6):85-88.

[4] 林志琦，郎永辉，王岩，等.倍压整流电路电容参数的优化设计[J].长春工业大学学报:自然科学版，2009，30(5):551-555.

[5] 张立，祝龙记，李莉.基于DSP的连续可调高压直流电源的研究[J].煤矿现代化，2008(2):37-38.

[6] 陈顺举，周巧娣，钟川源.集成专用驱动器在开关电源中的应用[J].现代电子技术，2007(20):35-38.

[7] 邓重一.浅谈DSP系统中的电磁兼容问题[J].半导体技术，2003，28(7):13-16.

[8] 苏雅龙，张子民，李中平，等.1.5 MV高压发生器的工艺改进和仿真计算[J].高电压技术，2008，34(7): 1427-1431.