10 kV/30mA直流高压测试电源的设计

徐峰

（中国南方电网超高压输电公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

电力系统中的电压波形在正常情况下都是正弦波，电力系统运行过程中，由于操作、雷击、电气设备参数配合不当等原因，引起系统中某部分电压突然升高，远远高于用电设备的额定电压。电气设备耐压强度测试是电气设备绝缘性能测试的常规项目，高压测试仪是电气设备绝缘性能测试的必要设备[1-2]。本文基于高频逆变开关电源技术，利用倍压整流方法，设计一种用于电力系统检测的直流高压电源，电压5～10 kV 连续可调，输出电流最大达30 mA。

1 高压直流电源总体设计

直流高压测试电源如图1 所示主要由EMI滤波电路、整流电路、降压电路、全桥逆变电路、高频变压器、倍压电路和控制电路组成。直流高压测试电源的性能主要有降压电路、高频变压和倍压电路的性能决定。本文重点讨论高频变压器、倍压电路。

图1 高压直流电源设计框图

2 高频变压器的设计[1]

根据系统电源拓扑以及电源工作条件可以得出高压高频变压器的技术参数。

2.1 磁芯的选择

高频高压变压器由于工作频率的提高，其体积相对于工频变压器就会大大减小，变压器铁耗也将随工作频率的提高大幅上升，高频变压器温升问题较为突出，为了保证变压器安全可靠的工作要满足以下三个条件：

1）选择高饱和磁通密度的磁芯，提高交变磁通幅值；

2）正常工作频率范围铁损小；

3）磁芯温度系数小，热阻较小，在一定的损耗功率下，温升小。

表1 常用铁芯材料的特性

本文设计的高频变压器工作频率为100 KHz，故选用Mn-Zn 磁性材料，该磁芯因功率大，电阻率高，温升低，损耗小，工作稳定高等特点在大功率的开关电源变压器被广泛采用。工作磁感应强度为Bm=0.2T，电流密度为J=100A/cm2，窗口利用系数K0=0.4，所需磁芯窗口有效横截面积Ae 与窗口面积的乘积Aw：

故选取EE40 磁芯，Aw×Ae=1.5998 cm4，其有效截面积Ae=1.08×104。

2.2 变压器变比及匝数的选择

根据电源设计的基本要求，高频变压器的副边输出电压为2000V，原边输入电压为250V，其变压器变比为8，由此可以确定低压侧线圈匝数为：

选择原边线圈匝数29，副边线圈匝数为232。

3 倍压整流电路优化设计[3-4]

由于高压电源的输出电压较高，采用传统方式的升压变压器直接升压将会导致升压变压器的体积过大，并且绝缘的要求高，制作复杂，升压变压器的寄生参数对性能的电路的基本原理是利用二极管的整流和反影响也非常严重。引入电荷泵高压直流电路可以显著降低升压变压器的匝数比，降低升压变压器的体积和制作难度，电荷泵升压向截止作用，把电能分贝存储在每一个电容器上，利用电容同性相加的原则串联起来，尤其适用于高压弱电流的系统中。根据表2 给出的倍压电路，分析比较其工作原理的基础上，本设计选用正负对称的CW 倍压电路产生高电压，其电路如图2 所示。

表2 常用倍压电路的比较

图2 典型CW倍压电路

假设变压器变比为N，当输入交流电压的正半周电容C1 充电到输入电压的峰值NU，负半周时C1 和变压器同时给C2 充电，最终CW 电压达到2NU，同理下一个周期C3 充电为2NU，以此类推，在电路最终稳定时，C2，C4,……,C2n 均充电到2NU，故可输出电压2nNU。正负双向倍压整流电路把高压变压器安装在倍压电路中间,组成正负双向倍压整流的方式,使正负两端一端接地,另一端输出高压,这样整个电路相当于两个四倍整流电路串联。这样做的目的是为了减小倍压整流电路的内部压降,提高直流电源的稳定度和效率,增强其负载能力,大幅的减少电源输出的纹波系数。

4 高压直流电源仿真

按照上述设计的高压直流电源的参数在psim9.0 中对其仿真验证。

图3 低压侧输入电源(红)和整流后的电容电压（蓝）

图4 输出4.3 kV时降压电路的输出

图5 a） 输出4.3 kV时高频变压器副边输出

图5 b） 输出4.3 kV时高频变压器副边输出

图6 输出4.3 kV时倍压电路的输出

图7 输出10.0 kV时降压电路的输出

高压直流电源是分级首先输出电压可控，提高变流器频率和输出电压提高的基本功能。针对电源设计的特点，仿真时重点关注各级电路的输出，仿真主要考查了电源在带有额定负载（输出电流为30 mA）情况下低4.3 kV 电压输出和标准输出10.0 kV 时各级电路输出的情况。图3 给出的是市电输入为220 V/50 Hz 单相交流电以及经过不控整流后的母线电压。图4 为Buck 降压电路的输出，BUCK 电路为电源输出可调的关键电路，本电源是通过调整变压器原边输入电压的幅值进而调整输出电压。图5 给出了高频变压器副边输出的电压波形，该波形为正负对称的斩波波形，斩波频率为100 kHz。图6 给出了倍压电路输出的电压，该电压即为电源输出的电压。图7-图9 为高压直流电源输出为10.0 kV 时各级电路输出的电压波形。

图8 输出10.0 kV时高频变压器副边输出

图9 输出10.0 kV时倍压电路的输出

5 结束语

本文设计了一款10 kV/30 mA 高压直流测试电源，采用高压变频电源和对称正负倍压电路使得电源体积大为减小，通过psim9.0 仿真验证了高压直流电源具有输出电压跌落小，输出电压纹波低的特点，验证了方案的正确性和可行性。