一種直流高壓電源的設計實現

朱亦丹，張小偉

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州，225101）

1 工作原理與方案組成

眾所周知，在電力系統中采用絕緣測試時的電阻測量以及成像系統所采用的高壓電源皆為直流高壓電源，往往作為測試源或激勵源。因此，該類直流高壓電源必須具備電壓較高、電流較小的基本特征。因此，本文設計了電壓為10kV、電流為2mA的直流高壓電源，其結構框架如圖1所示。在本文探究的直流高壓電源設計方案中，主要包括控制器、驅動部分、主拓撲電路、升壓變壓器、倍壓電路、調理電路和采樣電路等諸多結構。就直流高壓電源設計系統中的驅動部分而言，該電路位于控制電路和主功率拓撲電路之間，驅動部分將實現對整個直流高壓電源系統控制電路輸出的PWM脈沖信號的放大與驅動，保證整個電路系統驅動功率滿足電路作用功能。同時，驅動電路也是整個電源系統的重要組成部分，能夠在驅動部分結構中采取相應保護措施，保護整個直流高壓電源結構功能滿足的同時，使電路系統呈現安全平穩運行狀態。

圖1 直流高壓電源設計方案圖

2 主拓撲電路分析

主拓撲電路設計是本文所設計的直流高壓電源的重要組成部分，主要應用于聯通或斷開整個電路開關。也就是說，本文采用的直流高壓電源系統主控制器在輸入PMW脈沖信號后，主要借助驅動電路放大，對其進行雙管管制，達到電源電路開通或斷開的控制作用。在整個電源系統中，前半階段采用驅動電路及保護電路方式，驅動功率管實現拓撲電路的相關功能，具體主拓撲電路結構如圖2所示。

由圖2可知，主拓撲電路采用推挽開關電路形式，由互相補充的斷開或接通開關管、升壓變壓器組成，后續電源電路則采用倍壓整流電路方式，既能使變壓器體積得到大幅度縮減，又不影響整個電源電路結構功能的正常發揮。在主拓撲電路運行時，由于變壓器原邊繞組是主拓撲電路結構的重要組成部分，而副邊繞組則進一步受到變壓器原邊繞組控制，在電壓升高時呈現輸出狀態。整個工作流程如下：當主拓撲控制電路器發出一定的PWM脈沖信號后，該脈沖信號進一步經過驅動電路，而較高的電平壓力則到達電路結構圖中的Q1，控制Q1處于導通狀態，保證Q2電平處于低電位狀態，同時使Q2處于斷開狀態，實現整個主拓撲控制電路功能的正常實現。

圖2 主拓撲電路結構圖

3 倍壓電路

由于倍壓電路在整個直流高壓電源結構設計過程中處于次級回應電路，因此，可將變壓器的副邊輸出電壓值經過倍壓電路升壓后達到原本電壓值的2倍、4倍、8倍、16倍甚至更多倍速，明顯縮小傳統模式下不采用倍壓電路時的變壓器體積，有效降低由于電壓器副邊繞組線圈的纏繞難度和運行成本，降低直流高壓電源供電測試的高壓風險。在本文設計過程中，由于最大輸出電壓值為10kV，故考慮變壓器本身所擁有參數及損耗問題，直流高壓電源系統采用三節六倍壓電路，整個系統能夠輸出高達10kV的穩定電壓。

在直流高壓電源系統設計結構中，當變壓器的副邊繞組輸出為上端正電流、下端負電流時，變壓器的繞組上的并聯電容和串聯電容接將進入充電狀態，此時的電流實際流向將發生變化。當變壓器副邊繞組輸出為上端負電流下端正電流時，變壓器的繞組方向又將進一步發生變化。由于高壓直流電源系統中推挽電路受到控制器的交替控制與導向疏通作用，因此，副邊倍壓電路將會進一步重復上述輸出端正負值變化過程，直到整個副邊變壓器處于穩定狀態，此時的電容兩端電壓將處于穩定狀態。總而言之，在直流高壓電源系統設計過程中，倍壓電路結構簡單，功能實現方便靈活，但倍壓電路對整個直流高壓電路系統輸出紋波和帶負載時的電壓跌落存在著較大影響。

4 閉環控制

為保證直流高壓電源系統設計功能的快速實現，本文采用的直流高壓電源可根據預先設定的輸出值達到穩定的輸出電壓，因此，主要采用閉環控制方式，其原理框架如圖3所示。由于直流高壓電源系統設計時具備采樣電路和信號調理電路，因此，將最終輸出值對應的高壓電源系統電壓采樣調理為0～3V，將電壓信號送入控制器的某一端口，控制器根據反饋得到實際輸出電壓值，將實際值與預測值進行對比后分析進行閉環控制，再進一步根據實際輸出電壓值和設定電壓值的比較結果，調整輸出的PWM脈沖信號占空比，保證整個直流高壓電源系統電壓輸出的精確性與穩定性。

圖3 閉環控制原理框架圖

5 系統測試及結果討論

在完成直流高壓電源系統設計后，根據某直流高壓電源項目進行了實物設計及系統調試，制作了對應電路板，將實際拓撲結構及控制策略進行優化仿真，仿真結果較為理想，且具體仿真輸出波形圖結構符合預期目標。在直流高壓電源系統的實際調試過程中，考慮直流高壓電源系統的整體設計情況，測試PWM占空比對真實輸出電壓值的具體影響。在前期的測試過程中，由于測試數據為開環數據，且考慮整個直流高壓系統項目后續更高壓等級電源的設計發展，因此，所有參數余量設置較大。在10kV的測試需要基礎上，采用專用的高壓探頭和高精度的萬用表串接負荷回路，測試整個直流高壓電路的實際電流值，計算得到輸出電壓值。具體測量結果如表1所示，實際測量時的電阻負荷為3M歐姆。由表可知，直流高壓電源設計完全滿足初始設計初衷，有效實現了輸出電壓10kV的負荷能力，為直流高壓電源設計及其后期測試激勵應用提供了重要參考。

表1 測量結果示意