CN101127484A - 一种数字化高压直流电源 - Google Patents

Abstract

一种数字化高压直流电源，包括功率主电路，基于DSP的数字化控制电路和基于PC机的上位机控制程序。功率主电路包括三相整流单元[1]、软启动单元[2]、滤波单元[3]、谐振逆变单元[4]、高频高压变压器[5]、倍压电路[6]、二级分压器[7]；基于DSP的数字化控制电路包括IPM驱动信号接口电路、高压反馈单元、谐振过流保护单元、软启动电路、串行通讯接口电路。工频电网电压经三相整流，软启动和滤波后得到直流电压作为母线电压，由DSP根据反馈信号计算相位差驱动谐振变换单元将母线电压变换成20KHz准正弦，再由高频高压变压器[5]和倍压电路[6]输出0－100Kv的直流高压。本发明采用上位机控制，通过DSP相应命令的方式来控制输出电压，使其满足绝缘材料耐压实验的要求。

Description

一种数字化高压直流电源

技术领域

本发明涉及一种高压直流电源，特别涉及用于绝缘材料耐压试验的全数字化高压直流电源。

背景技术

绝缘材料在高压设备中一直是限制设备电压等级、体积及其寿命的关键因素，而耐压实验是检验材料绝缘特性最直观的方法。耐压实验需要对输出电压的幅值，上升速率，维持时间等进行准确控制，并且涉及绝缘和干扰问题。传统的实验用高压直流电源通过工频变压器直接升压再整流滤波得到，存在体积大，效率低，纹波系数大，操作麻烦等缺点。自七十年代以来，随着电力电子技术和数字程控技术的发展，出现了一些数字化的电源，使得电源在效率、体积、稳定度、控制性方面有明显提高。

中国专利01112942.5的“高压直流电源程控系统”是由微处理器输出数字量，经D\A转换得到可以调节的模拟直流电压。中国专利02121413.1的“大功率高压直流静电电源装置”主要用于静电除尘领域，利用开关电源技术，将工频交流电逆变成高频交流电，再整流得到直流高压，其调压方式采用前级调压器调压。中国专利200510101555.6的“数字化高频软开关电镀电源”采用谐振变换器，实现变频和软开关，再由高频变压器得到适于电镀用的0～12伏稳压电源。上述现有技术的缺点主要在于调压方式不灵活，电压等级不够，不能满足绝缘材料耐压实验的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中调压方式不灵活、电压等级不够等缺点，提出一种全数字化控制的高压直流电源，满足绝缘材料耐压实验的要求。

本发明包括以下几个组成部分：功率主电路，基于DSP的数字化控制电路和基于PC机的上位机控制程序。其中，功率主电路包括三相整流单元、软启动单元、滤波单元、谐振逆变单元、高频高压变压器、倍压电路、二级分压器；基于DSP的数字化控制电路包括IPM驱动信号接口电路、高压反馈单元、谐振过流保护单元、软启动电路、串行通讯接口电路。

功率主电路的三相整流单元、软启动单元、滤波单元、谐振逆变单元、高频高压变压器、倍压电路之间按输入/输出依次串接，二级分压器跨接倍压电路的高压输出端和大地之间。基于DSP的数字化控制电路的软启动电路的控制接口和IPM驱动信号接口分别接软启动单元的控制端和谐振逆变单元的控制端；高压反馈单元的输入为二级分压器的取样输出，输出通过光纤接DSP的反馈输入脚；谐振过流保护单元检测端接谐振回路的Rogowski检测线圈，输出接DSP的AD输入口；基于PC机的上位机控制程序通过串口与基于DSP的数字化控制电路相接通讯。工频电网电压经三相整流电路、软启动电路和滤波单元后得到平滑的直流作为母线电压；然后经过谐振逆变电路得到高频的准正弦交流电，该输出电压接高频高压变压器，得到高频(20kHz)高压正弦电压，再由倍压电路倍压后得到低脉动高压直流作为输出；基于DSP的数字化控制电路根据二级分压器取样的反馈电压计算谐振逆变单元的前后桥臂相位差来控制输出电压，得到0-100kV的任意调节的高压输出；基于PC机的上位机控制程序通过串口控制DSP，从而控制整个电源装置的工作。

本发明所述的谐振逆变单元采用移相式全桥并联谐振结构；开关器件采用集成功率模块(IPM)；谐振回路用大电感和小电容串联谐振并联输出方式，其谐振频率小于开关频率(20kHz)，通过控制前后桥臂的相位差，得到幅值随相位差变化的20kHz的准正弦高频交流电压。此种结构调压方便稳定，并实现软开关。

本发明所述的高频高压变压器和倍压电路封装在一个油箱中，用25#变压器油作为绝缘介质，内部全以有机玻璃做紧固件，输出端用70cm高有机玻璃作为绝缘套管，保证绝缘强度；所述的二级分压器的前级分压结构远离变压器置于油箱内，二级分压置于油箱外，保证绝缘强度的同时尽量减小了干扰。

本发明中所述的高压反馈单元是指基于AD652的光电转换电路。电压信号由二级分压器7取样，进入压频转换芯片AD652，将反馈电压转成频率信号，由HFBR-1521转成光信号传输，用单根光纤隔离并串行传输反馈信号，接收端由HFBR-2521转成电信号进DSP的TCLKINB引脚，通过编程定时计脉冲数的方式计算反馈电压，简化电路设计，良好的隔离了高低压电路，增加了电源的可靠性。

本发明所述的电源装置具有软启动电路和多套自动保护功能；其中软启动电路采用固态继电器短接限流电组的方式进行；上电之初三相整流单元通过限流电阻给滤波单元的电容充电以限制电流，稳定时控制电路控制固态继电器短接限流电阻完成软启动。保护功能包括过流保护、集成功率模块IPM故障保护、闪络击穿保护；过流保护由Rogowski线圈取样谐振电流后由DSP的AD模块采集比较，超过设定值自动停机；集成功率模块IPM故障保护是指当IPM内部故障检测电路检测到过流、短路、欠压或者过热等故障时，产生一个脉冲信号由低速光耦隔离后接DSP的PDPINTA管脚，使得故障一旦产生，DSP则停止输出PWM驱动，系统停机；闪络击穿保护是指当强烈闪络发生时，会引起输出电压陡降，反馈环检测该电压降，当超过设定值时，系统停机。

本发明所用的移相控制方式，其具体实现是在DSP事件管理器EVA的计数器的每个周期和下溢中断处根据反馈量改变EVA相应比较寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得两路驱动信号产生相差，这种方式比起传统的双事件管理器实现移相的方式节省了外设资源。

本发明所述的基于PC机的上位机控制程序采用Visual Basic6.0语言编写，接口用MSComm控件实现。程序完成系统的所有控制和波形显示功能。通过与DSP控制单元的通讯实现对输出电压的升压模式、上升沿、下降沿、维持时间等各种控制并能提供最大达100kV的电压等级；同时具有闪络辅助纪录功能，通过检测闪络击穿时电压陡降来判定闪络的发生，并在上位机提示，满足绝缘材料耐压实验研究的需要。

本发明的积极效果是：

1.采用了移相式高频谐振变换技术，实现软开关，降低了干扰，提高了效率，同时高频使得装置体积大大减小，并加快了动态响应时间；

2.采用了串行光纤反馈技术，实现高低压远距离隔离，增加了耐压实验的安全性；

3.采用了DSP为控制核心，使得装置控制完全数字化，并实现上位机界面控制，使得输出直流高压的幅值、上升时间、下降时间、维持时间和升降压曲线等特性能够任意控制，同时带有闪络检测功能，给绝缘材料的耐压实验研究带来极大便利；

4.本发明带有过流保护功能，功率模块带有过流、短路、过温、欠压等检测功能，一旦发生故障，装置立即停机并报警。

附图说明

图1为本发明的总体设计框图；

图2为功率主电路图；

图3为高压反馈单元原理图；

图4为IPM驱动信号接口电路原理图。

图5为谐振过流保护单元和软启动电路原理图；

图6为移相驱动信号的产生示意图；

图7为DSP程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的内容。

如图1所示，本发明包括以下几个组成部分：功率主电路，基于DSP的数字化控制电路和基于PC机的上位机控制程序。其中，功率主电路包括三相整流单元1、软启动单元2、滤波单元3、谐振逆变单元4、高频高压变压器5、倍压电路6、二级分压器7。基于DSP的数字化控制电路包括IPM驱动信号接口电路、高压反馈单元、谐振过流保护单元、软启动电路、串行通讯接口电路。功率主电路的三相整流单元1、软启动单元2、滤波单元3、谐振逆变单元4、高频高压变压器5、倍压电路6之间按输入/输出依次串接，二级分压器7跨接倍压电路的高压输出端和大地之间；基于DSP的数字化控制电路的软启动电路控制接口和驱动信号接口分别接软启动单元3的控制端和谐振逆变单元4的控制端；高压反馈单元的输入为二级分压器的取样输出，输出通过光纤接DSP的反馈输入脚；谐振过流保护单元检测端接谐振回路的Rogowski检测线圈8，输出接DSP的AD输入口；基于PC机的上位机控制程序通过RS232串口与基于DSP的数字化控制电路相接通讯。工频电网电压经三相整流电路1、软启动电路2和滤波单元3后得到平滑的直流作为母线电压；然后经过谐振逆变电路4得到高频的准正弦交流电，该输出电压接高频高压变压器5，得到高频(20kHz)高压正弦电压，再由倍压电路[6]倍压后得到低脉动高压直流作为输出；基于DSP的数字化控制电路根据二级分压器7取样的反馈电压计算谐振逆变单元[4]的前后桥臂相位差来控制输出电压，得到0-100kV的任意调节的高压输出；基于PC机的上位机控制程序通过RS232串口控制DSP，从而控制整个电源装置的工作。

如图2所示，电源的功率主电路的三相整流单元1由六只二极管连接成全波整流电路；软启动单元由一个限流电阻R0和一个固态继电器T0并联组成；滤波单元3由滤波电容C0和放电电阻R0并联组成；谐振逆变单元4由两只双单元功率模块IPM连接成全桥结构，谐振回路由谐振电感Lr和谐振电容Cr串联组成；倍压电路6由4只高压电容和4只高压硅堆组成4倍压结构；二级分压器7由高压臂电阻和低压臂电阻组成，其中低压臂电阻又分出第二级分压器，同样有高低压臂电阻组成。工频电网电压经初级三相整流电路1实现AC-DC转换。启动阶段通过R0给滤波电容C0充电限制启动电流，稳定时短接双向晶闸管T0，实现软启动，从而在滤波电容C0两端得到平滑的低压直流电压。然后经过移相控制的谐振逆变单元4得到高频的准正弦交流电，其中Lr，Cr构成串联谐振并联输出结构，其谐振频率低于开关频率(20kHz)。Cr上输出电压Ucr，Cr接高频高压变压器5，得到高频(20kHz)高压正弦电压，再由倍压电路6倍压后得到低脉动高压直流作为输出。二级分压器7取样输出电压做反馈闭环，稳定输出。功率主电路1，软启动单元2，滤波单元3，谐振逆变单元4封装在低压控制柜中，高频高压变压器5，倍压电路6和二级分压器7的一级分压封装在大油箱中以增加绝缘强度。二级分压器7的二级分压在油箱外以减小变压器干扰。另外用于过流检测的Rogowski检测线圈8串接在谐振电路中。

如图3所示的高压反馈单元，由二级分压器7取样到的反馈信号由电压跟随器稳定输出后接压频转换芯片AD652的7脚，在双电源供电和2MHz工作频率下，在AD652的11脚得到与输入电压线性对应的频率信号，该频率信号上拉后接与门驱动芯片DS75451得到稳定的频率信号，由HFBR-1521光电转换头转成光信号由单根光线传给DSP接收。DSP端由HFBR-2521电光转换头频率转成电信号接DSP的TCLKINB口，通过定时计脉冲数的方式计算反馈电压大小。

图4为一路集成功率模块IPM驱动接口单元电路，其他三路完全相同。DSP的PWM发出引脚经过LVTH245缓冲后经限流电阻R3接快速光耦HCPL4504的2，3脚，驱动光耦的通断，J3为取自JS158电源模块的隔离15V电源，经滤波电容稳压后作为驱动电源。J13直接插IPM的驱动管脚，其中5脚为故障信号脚，当IPM内部故障检测电路检测到过流、短路、欠压或者过热等故障时，产生一个脉宽为1.8ms的脉冲信号Fo，此信号由低速光耦PC817隔离，输出接DSP的PDPINTA管脚。程序上设置为当连续产生3个Fo故障信号时认为是真实故障，DSP停止输出PWM驱动并置高阻，系统停机，而不采用故障中断保护，以防止干扰误动作。

图5为谐振过流保护和软启动的原理图。基于DSP的数字化控制电路的谐振过流保护单元中，过流保护谐振电流由Rogowski线圈8取样后由快速二极管MUR810单波整流，由RC滤波得到能够反映谐振电流大小的直流电压，再由电压跟随器增大驱动后接DSP的AD模块ADCIN1管脚，通过采集该电电压值来判断谐振电流是否超过设定值，如超过则DSP停止输出驱动脉冲，系统停机。功率主电路的软启动单元2由功率和固态继电器组成，系统上电时，三相整流得到的540V电压将直接加在滤波电容两端，为限制大电流，通过一330Ω/100W的功率电阻给电容充电，当稳定时由DSP的IO口发出高电平控制信号，经三极管驱动放大后触发固态继电器，短接电阻，实现软启动。采用固态继电器可以简化电路，降低干扰，增加系统可靠性。

图6为移相驱动信号的产生示意图。DSP事件管理器EVA的计数器在每个周期中期和下溢中断处根据反馈量两次改变比较寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得两路驱动信号PWM1和PWM3产生相差，比较寄存器CMPR1和CMPR2的差值大小即对应于PWM1和PWM3的相差大小；另两路PWM2和PWM4与PWM1和PWM3分别互锁。这种方式比起传统的双事件管理器实现移相的方式节省了外设资源。

图7为DSP程序的流程图，由主程序和中断程序组成。其工作过程如下：系统上电后初始化DSP各寄存器和变量，延时一段时间发脉冲控制软启动单元2短接电阻完成软启动，然后等待上位机命令。当接收到升压等命令时，DSP根据设定的升压时间将电压调节分成若干个小区间，在每个小区间内通过定时器中断计算当前反馈电压值，然后根据反馈电压值与设定的电压值采用PI控制算法计算驱动脉冲的相位，使得输出电压根据设定值变化。中断程序主要包括功率保护中断的响应，驱动信号相位差的产生，反馈电压的计算，串口通讯的实现以及其他一些辅助功能。当中段产生时，DSP的CPU根据中断优先级相应各中断，并跳入相应的中断子程序执行。

Claims (9)

1.一种数字化高压直流电源，其特征在于：包括功率主电路，基于DSP的数字化控制电路和基于PC机的上位机控制程序；功率主电路包括三相整流单元[1]、软启动单元[2]、滤波单元[3]、谐振逆变单元[4]、高频高压变压器[5]、倍压电路[6]、二级分压器[7]；基于DSP的数字化控制电路包括IPM驱动信号接口电路、高压反馈单元、谐振过流保护单元、软启动电路、串行通讯接口电路；功率主电路的三相整流单元[1]、软启动单元[2]、滤波单元[3]、谐振逆变单元[4]、高频高压变压器[5]、倍压电路[6]之间按输入/输出依次串接，二级分压器[7]跨接倍压电路的高压输出端和大地之间；基于DSP的数字化控制电路的软启动电路控制接口和驱动信号接口分别接软启动单元[2]的控制端和谐振逆变单元[4]的控制端；高压反馈单元的输入为二级分压器的取样输出，输出通过光纤接DSP的反馈输入脚；谐振过流保护单元检测端接谐振回路的Rogowski检测线圈[8]，输出接DSP的AD输入口；基于PC机的上位机控制程序通过RS232串口与基于DSP的数字化控制电路相接通讯；工频电网电压经三相整流电路[1]、软启动电路[2]和滤波单元[3]后得到平滑的直流作为母线电压；然后经过谐振逆变电路[4]得到高频的准正弦交流电，该输出电压接高频高压变压器[5]，得到高频(20kHz)高压正弦电压，再由倍压电路[6]倍压后得到低脉动高压直流作为输出；基于DSP的数字化控制电路根据二级分压器[7]取样的反馈电压计算谐振逆变单元[4]的前后桥臂相位差来控制输出电压，得到0-100kV的任意调节的高压输出；基于PC机的上位机控制程序通过RS232串口控制DSP，从而控制整个电源装置的工作。

2.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源，其特征在于所述的功率主电路的三相整流单元[1]由六只二极管连接成全波整流电路；软启动单元[2]由一个限流电阻R0和一个固态继电器T0并联组成；滤波单元[3]由滤波电容C0和放电电阻R0并联组成；谐振逆变单元[4]由两只双单元功率模块IPM连接成全桥结构，谐振回路由谐振电感Lr和谐振电容Cr串联组成；倍压电路[6]由4只高压电容和4只高压硅堆组成4倍压结构；二级分压器[7]由高压臂电阻和低压臂电阻组成，其中低压臂电阻又分出第二级分压器，同样由高低压臂电阻组成。

3.按照权利要求2所述的数字化高压直流电源，其特征在于所述的谐振逆变单元[4]中，由谐振电感Lr和谐振电容Cr串联组成的谐振回路的谐振频率低于开关频率；通过控制前后桥臂的相位差，得到准正弦高频交流电压，Cr接高频高压变压器[5]，得到高频高压正弦电压，再由倍压电路[6]倍压后得到低脉动高压直流作为输出，二级分压器7取样输出电压做反馈闭环，稳定输出。

4.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于所述的基于DSP的数字化控制电路的高压反馈单元，电压信号由二级分压器[7]取样，进入压频转换芯片AD652；压频转换芯片AD652将反馈电压转成频率信号，由HFBR-1521转成光信号传输，接收端由HFBR-2521转成电信号进DSP的TCLKINB引脚，通过定时计脉冲数的方式计算反馈电压。

5.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于基于DSP的数字化控制电路的IPM驱动信号接口电路中，DSP的PWM发出引脚经过LVTH245缓冲后经限流电阻R3接快速光耦HCPL4504的2、3脚，驱动光耦的通断，J3经滤波电容稳压后作为驱动电源；J13插IPM的驱动管脚，其中5脚为故障信号脚，当IPM内部故障检测电路检测到过流、短路、欠压或者过热等故障时，产生一个脉宽为1.8ms的脉冲信号Fo，此信号由低速光耦PC817隔离，输出接DSP的PDPINTA管脚，程序上设置为当连续产生3个Fo故障信号时认为是真实故障，DSP停止输出PWM驱动并置高阻，系统停机，而不采用故障中断保护，以防止干扰误动作。

6.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于系统上电时，三相整流得到的540V电压将直接加在滤波电容两端，为限制大电流，通过一330Ω/100W的功率电阻给电容充电，当稳定时由DSP的IO口发出高电平控制信号，经三极管驱动放大后触发固态继电器，短接电阻，实现软启动。

7.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于基于DSP的数字化控制电路的谐振过流保护单元过流保护由Rogowski线圈[8]取样电流后由快速二极管MUR810单波整流，由RC滤波得到反应谐振电流大小的直流电压，再由电压跟随器增大驱动后接DSP的AD模块ADCIN1管脚，通过采集该电压值来判断谐振电流是否超过设定值，如超过则DSP停止输出驱动脉冲，系统停机。

8.按照权利要求1或2所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于控制上采用移相方式，其具体实现是在DSP事件管理器EVA的计数器的每个周期和下溢中断处根据反馈量改变EVA相应比较寄存器CMPR1和CMPR2的值，使得两路信号产生相差。

9.按照权利要求1所述的数字化高压直流电源装置，其特征在于高频高压变压器[5]和倍压整流电路[6]封装在一个油箱中，内部以有机玻璃做紧固件，输出端用70cm高有机玻璃作为绝缘套管；所述的二级分压器[7]的一级分压远离变压器置于油箱内，二级分压置于油箱外。

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