新型直流高壓發生器研制中的3個關鍵問題

劉 云

(淮南師范學院物理與電子信息系，安徽淮南 232038)

0 引 言

電力設備通常需要進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，一些高電壓試驗設備也需要直流高電壓作為電源，因此，直流高壓發生器是對高壓設備進行絕緣監測的重要儀器之一[1]。文中設計的新型直流高壓發生器基于高頻開關電源技術和DSP控制技術，具有便攜化和數字化的優點。下面討論在研制過程中涉及到的3個關鍵問題。

1 系統整體方案設計

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

圖1 系統整體框圖

圖中，輸入為220 V交流電壓，經交流-直流-交流-直流4個環節得到直流高壓。

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

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

2 驅動電路設計

主電路采用半橋DC/DC變換電路和全橋逆變電路，功率開關器件為IGBT，由DSP產生PWM控制脈沖，大功率開關電路均需要在控制電路和功率電路之間加驅動電路來驅動開關管。由驅動電路對PWM控制脈沖進行隔離和放大處理，以適應IGBT驅動脈沖的要求。

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

IR2110設有懸浮電源可自激運行;工作電壓范圍大;靜態功耗低;輸出柵極驅動電源范圍寬，適用范圍廣;循環邊沿觸發實現邏輯關斷;各通道均設有低壓延時鎖定;具備完善的抗干擾電路，電流耐受力大，安全性高等[6]。

因此，本系統選擇兩片IR2110來驅動全橋逆變電路中的4只IGBT開關器件。

IR2110驅動兩個IGBT的外圍接線圖如圖2所示。

圖2 全橋逆變驅動電路

在該電路中，變換器低端與IR2110的關閉端加有電流檢測電路。電路的關閉功能是鎖定的，這樣可以保證在負載電流通過功率IGBT內部二極管衰減后，功率IGBT仍保持斷開的狀態，鎖定只能在下個周期的開始才能復位。

3 系統抗干擾設計

直流高壓發生器主電路的功率管和二極管均工作在開關狀態，由于采用PWM控制技術，會產生較復雜的高次諧波，通過傳導耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合3種通道進行干擾，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 交流側濾波器

為了避免直流高壓發生器電路與外部電子設備之間的相互干擾，應當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的鐵芯應工作于非飽和狀態。C1使用0.22μF的聚脂薄膜電容，有足夠的耐壓值。T，C2，C3構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相等、方向相反的繞組，電源的往返電流在鐵芯中產生的磁通方向相反，相互抵消，對于電源相線和地線間的共模噪聲呈現高阻抗，對共模噪聲有良好的抑制作用。

3.2 直流側濾波器

為了減小直流高壓發生器的輸出噪聲，必須在直流輸出側串聯濾波器。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，會使共模電感導線太粗，可使用鐵氧體磁環作噪聲濾波器。鐵氧體磁環在直流或低頻下損耗很小，在高頻下，損耗增大，特別對1 MH z以上的噪聲更為有效[7]。其結構和應用電路如圖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 鐵氧體磁環噪音濾波

3.3 電路元件合理安裝降低噪聲

在電路板設計時要盡量使交流回路和直流輸出回路分開并遠離。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(開關管、整流二極管)的回路面積應盡可能小，以減小噪聲輻射源的有效區域。使用緩沖電路減少高頻開關元件的高頻電磁干擾[8]。盡可能減小旁路電容的引線電感;地線應粗而短，信號線和主回路線分離等。

4 結 語

采用高頻開關電源技術和DSP控制技術研制成功的200 kV，2 mA直流高壓發生器，具有電路結構簡單、設備體積和重量小、穩定性好等優點;使用方便，測量準確，儀器智能化程度高。測試表明，樣機完全達到設計標準，系統工作良好。

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

[2] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2002.

[3] 江秀臣，周錄波，曾奕，等.直流高壓發生器設計中的四個關鍵問題[J].高電壓技術，2007，33(6):85-88.

[4] 林志琦，郎永輝，王巖，等.倍壓整流電路電容參數的優化設計[J].長春工業大學學報:自然科學版，2009，30(5):551-555.

[5] 張立，祝龍記，李莉.基于DSP的連續可調高壓直流電源的研究[J].煤礦現代化，2008(2):37-38.

[6] 陳順舉，周巧娣，鐘川源.集成專用驅動器在開關電源中的應用[J].現代電子技術，2007(20):35-38.

[7] 鄧重一.淺談DSP系統中的電磁兼容問題[J].半導體技術，2003，28(7):13-16.

[8] 蘇雅龍，張子民，李中平，等.1.5 MV高壓發生器的工藝改進和仿真計算[J].高電壓技術，2008，34(7): 1427-1431.