基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的直流高壓發(fā)生器研制

基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的直流高壓發(fā)生器研制

0泄漏電流的試驗(yàn)直壓發(fā)生器是電氣試驗(yàn)中常用的設(shè)備之一。廣泛應(yīng)用于電能電纜、避雷器等泄漏電流試驗(yàn)。本文基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的直流高壓發(fā)生器輸出電壓為120kV、輸出電流為5mA、工作頻率為40kHz。因輸出電壓較高,設(shè)計(jì)中有一些特殊問(wèn)題,現(xiàn)討論其中4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。1試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)有的基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的直流高壓發(fā)生器一般都工作在20kHz。本設(shè)計(jì)用40kHz的工作頻率,開(kāi)關(guān)器件采用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。因工作頻率提高,設(shè)備中用的高頻變壓器的體積和重量都進(jìn)一步減小,整個(gè)裝置的體積和重量也相應(yīng)減小,現(xiàn)場(chǎng)使用更方便,工作頻率的提高使輸出電壓的紋波系數(shù)也進(jìn)一步減小。輸入為交流220V,經(jīng)交流-直流-交流-直流4個(gè)環(huán)節(jié)得到直流負(fù)高壓,系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。交流220V先經(jīng)EMI(電磁干擾)濾波環(huán)節(jié),EMI濾波網(wǎng)絡(luò)可防高頻電路產(chǎn)生的大量高次諧波進(jìn)入電網(wǎng),也可阻止電網(wǎng)諧波進(jìn)入整流電路;接下來(lái)進(jìn)入PFC(功率因數(shù)校正)模塊,PFC模塊用于提高本裝置的功率因數(shù);工頻整流模塊用全橋整流方式,將交流220V整流為約300V直流,此電壓隨電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而變化;通過(guò)改變半橋電路部分MOSFET的占空比實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié),將工頻整流的300V變換成穩(wěn)定的最大值為160V的直流電壓;全橋逆變部分負(fù)責(zé)將此穩(wěn)定的直流電壓逆變成40kHz的交流方波電壓;變比為1∶60的脈沖升壓變壓器負(fù)責(zé)將方波電壓初步升壓;最后經(jīng)8級(jí)倍壓電路升壓得到120kV穩(wěn)定直流高壓?？紤]系統(tǒng)各環(huán)節(jié)損耗,上述變壓器變比和倍壓電路級(jí)數(shù)留了較大的裕量。直流高壓經(jīng)過(guò)限流保護(hù)環(huán)節(jié)加到試品上;電壓電流測(cè)量信號(hào)從直流高壓輸出端取出,數(shù)據(jù)處理后送往MCU(微型控制單片機(jī))控制部分,用于數(shù)據(jù)記錄和反饋控制。圖1中MCU(微控制單元)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)部分結(jié)合,完成系統(tǒng)控制功能。MCU發(fā)出的PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào),送往CPLD,由其完成PWM信號(hào)的互鎖(防止橋式拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通),經(jīng)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路,用于驅(qū)動(dòng)半橋調(diào)壓部分和全橋逆變部分的開(kāi)關(guān)管。圖1中電流采樣部分用于實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能,分別從半橋部分和全橋部分取出電流信號(hào),經(jīng)放大比較電路后送往CPLD,由CPLD中的邏輯實(shí)現(xiàn)保護(hù)信號(hào)的處理。系統(tǒng)顯示和鍵盤(pán)的處理都由MCU完成;RS232通信接口用于系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)間通信,取出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中MCU、CPLD等電源均由輔助電源提供。2脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路一般的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)都是采用專(zhuān)用的電源芯片,這些芯片本身驅(qū)動(dòng)能力夠大,或直接驅(qū)動(dòng)MOSFET,或通過(guò)脈沖變壓器驅(qū)動(dòng),一般都可滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)要求。本設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)和CPLD結(jié)合的方式控制,無(wú)法用它們直接驅(qū)動(dòng)MOSFET;同時(shí)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖占空比變化范圍很大,而脈沖變壓器的性能在PWM占空比較大,即開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)性能不佳,故也不能采用。為了使驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)或CPLD接口方便,同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力又滿(mǎn)足要求,采用了驅(qū)動(dòng)芯片A316J,它內(nèi)部帶有光耦隔離,邏輯電平和CPLD(3.3V工作)匹配,瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)2A,同時(shí)帶有開(kāi)關(guān)管過(guò)流保護(hù)功能,原理見(jiàn)圖2。因橋式拓?fù)渲?同一橋臂上下開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷期間會(huì)互相干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起開(kāi)關(guān)管的共態(tài)導(dǎo)通,為防止這一現(xiàn)象,驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)計(jì)了負(fù)壓關(guān)斷功能,使MOSFET(圖2中Tr)關(guān)斷期間柵源極間電壓為-5V,這樣,即使干擾存在,也可限制在MOSFET的開(kāi)通電平以下,保證開(kāi)關(guān)管安全工作。PWM輸出信號(hào)經(jīng)三極管Q1、Q2放大,進(jìn)一步增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)可使開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間約為100ns,考慮系統(tǒng)的EMC(電磁兼容性)特性,本應(yīng)用中通過(guò)調(diào)整柵極電阻將其限制在200ns。3緩沖電路的設(shè)計(jì)及調(diào)試半橋穩(wěn)壓和全橋逆變升壓部分都是帶有高頻變壓器的變換器,高頻變壓器都存在漏感,本設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)器件選用的是MOSFET,其關(guān)斷期間的電流下降速度很快,開(kāi)關(guān)管漏源極間電壓開(kāi)始顯著上升之前,其電流已降到零。因變壓器漏感尖峰電壓與di/dt成正比,故MOSFET關(guān)斷時(shí)很快的電流下降速度將引起很高的漏感尖峰,對(duì)于MOSFET的安全運(yùn)行和電磁輻射的減少都十分不利,故須用緩沖電路限制關(guān)斷期間的漏感尖峰。本設(shè)計(jì)采用了RCD關(guān)斷緩沖器,原理見(jiàn)圖3。電容C=Iptf/4Udc,其中:Ip是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷前電流峰值,最大值設(shè)計(jì)約為6A;tf是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)間,設(shè)計(jì)約為200ns;Udc是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷后漏源極間承受的正常電壓,設(shè)計(jì)為150V,由此算得C=0.002μF。實(shí)調(diào)發(fā)現(xiàn)若C取0.002μF,系統(tǒng)雖可工作但不穩(wěn)定,若將C增加到0.0047μF后則系統(tǒng)工作很穩(wěn)定。電阻R的選擇應(yīng)使C在開(kāi)關(guān)管最小導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)放電至所充電荷的5%以下,可按R=ton/3C計(jì)算,本設(shè)計(jì)中tonmin=1μs,算得R=70.9Ω。調(diào)試用的是68Ω、10W的功率電阻。C和R最好選無(wú)感產(chǎn)品,二極管要選擇反向耐壓足夠大,反向恢復(fù)時(shí)間短的超快恢復(fù)二極管。緩沖電路的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題之三,因設(shè)計(jì)得當(dāng)與否直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)若C過(guò)小,則因變壓器漏感產(chǎn)生的關(guān)斷漏感尖峰仍很大,進(jìn)而產(chǎn)生很大的電磁干擾,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器芯片A316J和主控單片機(jī)頻繁復(fù)位。更改為上述設(shè)計(jì)值,驅(qū)動(dòng)芯片和單片機(jī)工作正常。4變壓器骨架及排繞方式升壓變壓器變比設(shè)計(jì)為1:60,副邊匝數(shù)為2600匝,多匝細(xì)小的導(dǎo)線(xiàn)繞在磁芯骨架上,相鄰導(dǎo)線(xiàn)間的間隙非常狹小,產(chǎn)生寄生電容,如將其等效的集中到繞組的兩端來(lái)考慮,其容量值將達(dá)到幾千pF,見(jiàn)圖4,寄生電容C的兩端加上高頻交流電壓時(shí),每個(gè)周期都有電流流過(guò)。設(shè)C=1000pF,變壓器次級(jí)電壓為9.6kV,工作頻率為40kHz,則單位時(shí)間內(nèi)寄生電容C的充放電能量為P=CU2f/2=1843.2W,損耗顯然過(guò)大,故升壓變壓器的設(shè)計(jì)須盡可能減小次級(jí)線(xiàn)圈間分布電容。本設(shè)計(jì)中變壓器用多槽骨架,排繞方式繞線(xiàn)見(jiàn)圖5。骨架共有10個(gè)繞線(xiàn)槽,0號(hào)線(xiàn)槽繞原邊繞組,副邊線(xiàn)圈分成9段繞在1~9號(hào)線(xiàn)槽中,因每個(gè)槽的面積很小,使寄生電容也大幅減小。副邊繞線(xiàn)時(shí),1~9號(hào)槽中的線(xiàn)圈匝數(shù)不能平均分布,而應(yīng)將1號(hào)槽和2號(hào)槽的線(xiàn)圈匝數(shù)繞的少一些,每槽只要100匝,剩下的線(xiàn)可均分到3~9號(hào)槽中。這是因1號(hào)槽將作為輸出級(jí)的接地端,離原邊繞組很近,如1、2號(hào)槽線(xiàn)圈繞的過(guò)多,那么在1、2號(hào)槽的最外層線(xiàn)圈上的電壓將較高,易和原邊繞組即0號(hào)槽間發(fā)生放電短路。故1、2號(hào)槽繞線(xiàn)要少。整個(gè)線(xiàn)圈繞好后,再將其放在真空機(jī)中用環(huán)氧樹(shù)脂浸泡,浸泡時(shí)不能有氣泡,干燥后使用。高頻升壓變壓器的寄生電容是其損耗的主要來(lái)源,也是影響整個(gè)系統(tǒng)效率的主要因素,用上述方法繞制的變壓器經(jīng)測(cè)試,空載損耗約為50W,絕緣性能良好