一种新型直流高压发生器的研制

刘 云 （淮南师范学院物理与电子信息系，安徽 淮南232038）

直流高压发生器广泛应用于电力系统绝缘预防性试验，如研究直流高压输电系统中换流站设备和绝缘材料在直流高电压下的绝缘强度、直流输电线路电晕效应以及进行高压电力设备的电气绝缘强度和泄漏电流检测等。直流高压发生器还可以为一些高压试验设备如冲击电压／电流发生器、振荡回路等提供直流高压电源。因此，直流高压发生器是进行高电压试验的关键性仪器［1］。传统直流高压发生器都是将交流市电经变压器升压、整流滤波来获得直流高电压，其体积和重量都很大、工作稳定性差、效率低。针对上述情况，笔者应用高频开关电源技术和DSP（数字信号处理器）控制技术，设计了一种新型直流高压发生器。

1 整体设计方案

直流高压发生器整体设计框图如图1所示。系统采用单相220V交流市电供电，220V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310V。310V直流电经过半桥DC／DC变换后获得连续可调范围为0～150V的直流电压，该电压经DC／AC逆变电路逆变成40kHz的方波电压。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12kV的脉冲电压。再经过2个串联的5级倍压整流电路继续升压，最终得到幅值为200kV的直流高压。

控制部分以DSP为核心进行系统控制。对半桥变换电路，DSP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，并实时地作出反应；对于全桥逆变电路，DSP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。此外，DSP还对泄漏电流和输出电压进行测量，提供智能化的人机接口［2］。

图1 直流高压发生器整体设计框图

2 功率电路设计

功率主电路部分主要包括整流滤波电路、半桥变换电路、全桥逆变电路、高频升压变压器、正负双向倍压整流电路。利用高频技术，使工作频率高达40kHz，可以减小铁芯、高压线包的体积，从而减小设备重量和体积。采用变压器升压结合倍压整流的方式，既大大提升了输出直流电压值又降低了纹波系数。该电路中较为关键的直流变换部分和倍压整流部分的设计过程如下。

2．1 半桥变换电路

根据所要设计的直流高压发生器的特点，直流变换器不能将300V直流电直接变为最大值为150V的直流电，需要先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，即采用间接直流变流电路。交流环节需要采取较高的工作频率，以便减小电路设备的体积和重量。因为人的听觉上限为20kHz，所以工作频率至少应高于该上限以避免产生刺耳的噪声。综合考虑多方面因素，选择电路的工作频率为40kHz。设计功率为400W，属于中小功率电源。为保证仪器正常运行，间接直流变流电路部分输出功率应大于500W。为了降低设计难度和成本，提高仪器性能，可采用半桥电路作为电路拓扑结构，其电路图如图2所示［3］。电路工作原理如下。变压器原边电路的2端分别与电容器C1、C2的中点和开关管T1、T2的中点相连接，工作频率40kHz。2只电容器电容大小相同并构成一个分压电路，其中点电压为输入直流电压 （300V）的一半，即150V。改变开关管T1、T2的占空比，就能改变变压器副边整流后电压的平均值，从而改变输出电压值。

图2 半桥电路图

2．2 正负双向倍压整流电路

图3 正负双向倍压整流电路

在经过原副边匝数比为1：80升压变压器初次升压后，输出12kV的交流方波电压，再通过反向串联的2个5级倍压整流电路实现正负双向倍压作用，能够输出240kV的直流高压。尽管电路内部存在压降，但仍然足够达到设计的目标输出值。图3所示为正负双向倍压整流电路。选择正负双向倍压整流电路，即采用1个正向5级与1个负向5级倍压电路串联的方式，而不是直接采用1个10级 （20倍压）的倍压整流电路，其原因如下：①可以减小倍压整流电路上的压降以及由于电容放电引起的电压的波动，从而提高设备的稳定性和可靠性。②可以实现电压输出的分节，既可在高电压条件下使用，也可在较低电压条件下使用，且精密度相同，可供使用者灵活选择应用。单节使用时，输出为100kV／4mA，适用于相对较低电压等级下的直流试验，其准确性高；2节共同使用时，输出为200kV／2mA，多用于高电压等级下高压电力设备的直流耐压试验。

3 控制电路设计

为了能使直流高压发生器正常工作，除了主电路之外，还必须依靠控制电路按照仪器控制要求形成控制信号，通过驱动电路对主电路中开关器件的通断进行控制，从而实现仪器的相关功能［4］。

选用TMS320LF2407型DSP芯片作为控制核心，通过控制PWM信号对直流高压发生器的半桥调压电路、全桥逆变电路以及输出电压电流实现闭环控制，并实现对仪器的电气保护。

PWM控制电路主要完成以下功能，即IGBT器件驱动信号的产生、过电压／过电流保护和测压信号的数显。除了驱动电路，还包括电压电流采样电络、保护电路、光藕隔离电路等。其控制电路图如图4所示。

图4 控制电路图

图5 仿真输出波形

4 仿真试验

半桥变换电路进行调压并输出幅值为150V的直流电压，最大功率Pomax＝400W，通过计算得出输出电阻为56Ω。因为驱动脉冲的占空比最大不得超过50%，所以单个驱动脉冲的占空比取为45%。仿真时间取为6ms，绘制输出电压响应曲线，得到仿真结果如图5所示。从图5可以看出，输出电压迅速波动上升，最后稳定停留在150V左右。该仿真结果表明电路输出可以满足设计要求。

5 结 语

采用高频开关电源技术和DSP控制技术进行新型直流高压发生器的研制，该仪器具有电路结构简单、设备体积和重量小以及稳定性好的特点。其倍压电路部分采用分节式结构，单节使用时适用于相对较低电压等级下的直流试验；2节同时使用时适用于高电压等级下高压电力设备的直流耐压试验，并且精度不变，即不同电压等级下都能使用，方便用户在不同场合进行灵活选择。仿真试验表明，设计达到预期效果。研制的样机经过实际应用，也能够满足设计要求。

［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）：301-303．

［2］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．

［3］王兆安，黄俊 ．电力电子技术 ［M］．北京：机械工业出版社，2002．

［4］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．