10 kV/30mA直流高壓測試電源的設計

徐峰

（中國南方電網超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

電力系統中的電壓波形在正常情況下都是正弦波，電力系統運行過程中，由于操作、雷擊、電氣設備參數配合不當等原因，引起系統中某部分電壓突然升高，遠遠高于用電設備的額定電壓。電氣設備耐壓強度測試是電氣設備絕緣性能測試的常規項目，高壓測試儀是電氣設備絕緣性能測試的必要設備[1-2]。本文基于高頻逆變開關電源技術，利用倍壓整流方法，設計一種用于電力系統檢測的直流高壓電源，電壓5～10 kV 連續可調，輸出電流最大達30 mA。

1 高壓直流電源總體設計

直流高壓測試電源如圖1 所示主要由EMI濾波電路、整流電路、降壓電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、倍壓電路和控制電路組成。直流高壓測試電源的性能主要有降壓電路、高頻變壓和倍壓電路的性能決定。本文重點討論高頻變壓器、倍壓電路。

圖1 高壓直流電源設計框圖

2 高頻變壓器的設計[1]

根據系統電源拓撲以及電源工作條件可以得出高壓高頻變壓器的技術參數。

2.1 磁芯的選擇

高頻高壓變壓器由于工作頻率的提高，其體積相對于工頻變壓器就會大大減小，變壓器鐵耗也將隨工作頻率的提高大幅上升，高頻變壓器溫升問題較為突出，為了保證變壓器安全可靠的工作要滿足以下三個條件：

1）選擇高飽和磁通密度的磁芯，提高交變磁通幅值；

2）正常工作頻率范圍鐵損小；

3）磁芯溫度系數小，熱阻較小，在一定的損耗功率下，溫升小。

表1 常用鐵芯材料的特性

本文設計的高頻變壓器工作頻率為100 KHz，故選用Mn-Zn 磁性材料，該磁芯因功率大，電阻率高，溫升低，損耗小，工作穩定高等特點在大功率的開關電源變壓器被廣泛采用。工作磁感應強度為Bm=0.2T，電流密度為J=100A/cm2，窗口利用系數K0=0.4，所需磁芯窗口有效橫截面積Ae 與窗口面積的乘積Aw：

故選取EE40 磁芯，Aw×Ae=1.5998 cm4，其有效截面積Ae=1.08×104。

2.2 變壓器變比及匝數的選擇

根據電源設計的基本要求，高頻變壓器的副邊輸出電壓為2000V，原邊輸入電壓為250V，其變壓器變比為8，由此可以確定低壓側線圈匝數為：

選擇原邊線圈匝數29，副邊線圈匝數為232。

3 倍壓整流電路優化設計[3-4]

由于高壓電源的輸出電壓較高，采用傳統方式的升壓變壓器直接升壓將會導致升壓變壓器的體積過大，并且絕緣的要求高，制作復雜，升壓變壓器的寄生參數對性能的電路的基本原理是利用二極管的整流和反影響也非常嚴重。引入電荷泵高壓直流電路可以顯著降低升壓變壓器的匝數比，降低升壓變壓器的體積和制作難度，電荷泵升壓向截止作用，把電能分貝存儲在每一個電容器上，利用電容同性相加的原則串聯起來，尤其適用于高壓弱電流的系統中。根據表2 給出的倍壓電路，分析比較其工作原理的基礎上，本設計選用正負對稱的CW 倍壓電路產生高電壓，其電路如圖2 所示。

表2 常用倍壓電路的比較

圖2 典型CW倍壓電路

假設變壓器變比為N，當輸入交流電壓的正半周電容C1 充電到輸入電壓的峰值NU，負半周時C1 和變壓器同時給C2 充電，最終CW 電壓達到2NU，同理下一個周期C3 充電為2NU，以此類推，在電路最終穩定時，C2，C4,……,C2n 均充電到2NU，故可輸出電壓2nNU。正負雙向倍壓整流電路把高壓變壓器安裝在倍壓電路中間,組成正負雙向倍壓整流的方式,使正負兩端一端接地,另一端輸出高壓,這樣整個電路相當于兩個四倍整流電路串聯。這樣做的目的是為了減小倍壓整流電路的內部壓降,提高直流電源的穩定度和效率,增強其負載能力,大幅的減少電源輸出的紋波系數。

4 高壓直流電源仿真

按照上述設計的高壓直流電源的參數在psim9.0 中對其仿真驗證。

圖3 低壓側輸入電源(紅)和整流后的電容電壓（藍）

圖4 輸出4.3 kV時降壓電路的輸出

圖5 a） 輸出4.3 kV時高頻變壓器副邊輸出

圖5 b） 輸出4.3 kV時高頻變壓器副邊輸出

圖6 輸出4.3 kV時倍壓電路的輸出

圖7 輸出10.0 kV時降壓電路的輸出

高壓直流電源是分級首先輸出電壓可控，提高變流器頻率和輸出電壓提高的基本功能。針對電源設計的特點，仿真時重點關注各級電路的輸出，仿真主要考查了電源在帶有額定負載（輸出電流為30 mA）情況下低4.3 kV 電壓輸出和標準輸出10.0 kV 時各級電路輸出的情況。圖3 給出的是市電輸入為220 V/50 Hz 單相交流電以及經過不控整流后的母線電壓。圖4 為Buck 降壓電路的輸出，BUCK 電路為電源輸出可調的關鍵電路，本電源是通過調整變壓器原邊輸入電壓的幅值進而調整輸出電壓。圖5 給出了高頻變壓器副邊輸出的電壓波形，該波形為正負對稱的斬波波形，斬波頻率為100 kHz。圖6 給出了倍壓電路輸出的電壓，該電壓即為電源輸出的電壓。圖7-圖9 為高壓直流電源輸出為10.0 kV 時各級電路輸出的電壓波形。

圖8 輸出10.0 kV時高頻變壓器副邊輸出

圖9 輸出10.0 kV時倍壓電路的輸出

5 結束語

本文設計了一款10 kV/30 mA 高壓直流測試電源，采用高壓變頻電源和對稱正負倍壓電路使得電源體積大為減小，通過psim9.0 仿真驗證了高壓直流電源具有輸出電壓跌落小，輸出電壓紋波低的特點，驗證了方案的正確性和可行性。