CN102624244B - 一种高隔离度可调直流稳压电源的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高隔离度可调直流稳压电源的实现方法。用电压检测电路、VFC、光纤、FVC和增益可调缓冲放大器实现0～500V高隔离度直流电源VH的高隔离度检测，得到0～5V高隔离检测信号VF。用VF作负反馈信号构成闭环PWM控制电路对桥式逆变电路进行控制，实现对高隔离度直流电源VH的调压和稳压控制。直流电源VX由桥式逆变电路逆变为PWM脉冲，由耐压20KV的脉冲变压器B1隔离，隔离输出脉冲经整流滤波得到高隔离度直流电源VH。电路所需的两对高隔离工作电源由耐压20kV的高隔离辅助电源电路提供。本发明实现的直流稳压电源隔离度高，满足级联式高压脉冲电源的需要，且通过级联可获得更高电压的直流稳压电源。

Description

一种高隔离度可调直流稳压电源的实现方法
技术领域
本发明涉及一种高隔离度可调高压直流稳压电源的实现方法。
背景技术
绝缘材料的电寿命对电工电子设备具有极重要的影响。电气新装备研制中需要在尽可能短的时间内获得所采用的绝缘结构的电气寿命信息，电工绝缘材料研制中需要尽可能快的获得新配方和新工艺下绝缘材料的电气寿命信息。为了尽快获得绝缘结构和绝缘材料的寿命信息，通常在不改变绝缘寿命失效机理的条件下，利用加速寿命评估实验方法和实验装置进行绝缘材料寿命的加速老化实验评估。以往的加速实验评估方法和实验评估装置主要针对直流和工频正弦交流电压下绝缘结构和绝缘材料寿命的评估，随着变频驱动和新能源发电应用的需要，施加在电气装备上的电压由原来的直流电和工频正弦交流电压变为高频高压脉冲电压，电工绝缘材料所承受的电压也由原来的直流电压和工频正弦交流电压变为连续高频高压脉冲电压。电工绝缘材料所承受的电应力环境发生了变化，理论和实践均证实重复高频高压脉冲电应力对绝缘材料寿命的影响比直流和工频正弦交流电应力要严酷得多，以往在直流和工频正弦交流电压下研制的绝缘材料寿命加速评估实验方法和实验装置已不适用于新的应用环境。脉冲电应力下电气绝缘结构和电工绝缘材料寿命的加速实验评估装置需要有高性能的对称双极性高频高压方波脉冲电源。利用功率半导体器件构成的桥式逆变电路可以产生峰峰值在0～1KV之间连续可调的高性能对称双极性脉冲电源，但由于功率半导体器件耐压性能的的限制，当前还难以用一个常规桥式逆变电路单元产生峰峰值在0～20kV可调的高性能对称双极性方波脉冲电源，利用脉冲变压器升压可以获得所需要的电压幅值，但其脉冲上升时间和对称性等脉冲参数又难以满足绝缘材料寿命加速老化试验的需要。利用多个相互独立且同步工作的0～1KV高性能方波脉冲电源级联，是产生绝缘材料电寿命加速实验用0～20KV高性能对称双极性方波脉冲电源的一种方法。为了能够实现多个这种高频脉冲电源的级联，需要为每个独立的桥式逆变电路提供一组相互隔离的直流电源，其隔离电压不低于方波脉冲的峰峰值电压20KV，同时要求各组隔离电压之间的耦合电容以及隔离电源对地之间的耦合电容要小。当前主要利用两个工频隔离变压器实现隔离，第一个工频隔离变压器提供高隔离度的12V直流辅助工作电源，第二个工频隔离变压器的原边接电动或手动调压器的输出端，通过自动或手动方式操作调压器来产生0～500V可调直流工作电源。这种方法可以获得各桥式逆变电路所需要的隔离电压达20kV的直流电源，但由于工频变压器的绕组匝数较多以及工艺上的限制各副边绕组之间耦合电容、副边绕组与原边绕组之间的耦合电容、各绕组与变压器铁芯之间的耦合电容都比较大，导致各组隔离电压之间的耦合电容以及隔离电源对地之间的耦合电容较大，这个耦合电容直接影响对称双极性高压脉冲电源的性能，开关电源的耦合电容可以做得比较小，但当前的开关型直流电源的隔离电压不能满足要求，故当前的对称双极性高压脉冲电源还不能完全满足绝缘材料电寿命加速老化实验的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高隔离度可调直流稳压电源的实现方法。
该高隔离度可调直流稳压电源是这样实现的：
（1）输入直流电源VX送入高隔离度脉冲变压器输出方式的桥式逆变电路，桥式逆变电路工作于闭环脉冲宽度调制方式，脉冲宽度调制即PWM，在闭环PWM控制电路控制下，将输入直流电压VX变换为高隔离度直流电源VH输出，由闭环PWM控制电路实现高隔离度直流电源VH的稳压和调压控制；
（2）脉冲宽度调制（PWM）控制电路利用0～5V输入信号VG作为电压给定信号，利用对高隔离度直流电源VH的高隔离度电压检测信号VF作为负反馈信号构成输出电压负反馈闭环脉冲调制（闭环PWM）控制电路，实现高隔离直流稳压电源的稳压和调压控制。闭环PWM控制电路使用PWM控制专用集成电路或微处理器实现闭环控制功能并产生PWM控制信号P+和P-；由隔离驱动电路将P+和P-转换为4个隔离驱动信号P+U、P-U、P+D、P-D，由这4个隔离驱动信号控制桥式逆变电路将输入直流电压VX转换为脉冲宽度受控的PWM脉冲VPWM；利用高隔离度高频脉冲变压器B1将脉冲电压VPWM升压，在B1付边绕组获得高隔离度脉冲电压VHP；利用快速整流滤波电路对VHP进行整流和滤波，得到高高隔离度直流电源VH；
（3）高隔离度电压检测电路中的检测电路用电阻分压得到VHT=KHT.VH，其中KHT是分压系数，VHT是电阻分压器对高隔离度直流电源VH的分压输出信号；电压VHT经增益为KT的可调增益缓冲放大电路，其输出电压为VHF=KT.KHT.VH，使用电压频率变换电路（VFC）将电压VHF转换成电脉冲信号SPT。增益KT的调整范围为0.5～2，通过调整增益KT使高隔离度直流电源VH在0～500V间变化时脉冲信号SPT的频率fSPT在0～500KHz之间对应变化。电脉冲信号SPT由光发射器转换为光脉冲信号，并利用光纤进行隔离传输。高隔离度电压检测电路中隔离接收电路利用光接收器接收由光纤隔离传输的光信号并转换为电脉冲信号SPR，利用频率电压转换电路（FVC）将电脉冲信号SPR转换为电压信号VHR，将VHR送到增益KFB可调整的电压缓冲放大器对VHR进行缓冲与调整得到VF=KFB.VHR，通过调整KFB得到VH的高隔离度检测信号VF＝0.01VH；
（4）高隔离度辅助电源电路向闭环PWM控制电路、高隔离度电压检测电路提供两对高隔离度辅助电源±V和±V2。电源VX通过辅助电源PWM电路、两个原边绕组并联的高频脉冲变压器B2和B3产生两对固定输出电压辅助电源，两对分别命名为±V和±V2，电压在±12V～±15V之间选择；脉冲变压器B2的一组副边绕组的输出信号作为辅助电源PWM电路的反馈电压构成辅助电源闭环PWM电路将VX逆变为脉冲电压VPF，由B2副边绕组得到降压的脉冲信号，经高频整流和滤波后得到一组与VX共地的辅助电源±V，该对辅助电源±V主要用于VH电源的闭环PWM控制电路和高隔离度电压检测电路中的隔离接收电路；脉冲变压器B3原副边隔离电压不低于20KV，原边绕组与B2原边绕组并联，副边绕组的脉冲电压经高频整流和滤波，再经过三端稳压集成电路得到一对与±V隔离的辅助电源±V2，辅助电源±V2主要用于高隔离度电压检测电路中的检测电路。
本发明的优点是：利用本方法可以实现对输出电压的高隔离度检测，从而构成闭环控制0～500V可调、输出电压与输入之间的隔离电压达到20KV的直流稳压电源，可以实现输出电压的高隔离度检测，与高隔离度高频脉冲变压器、桥式逆变电路、闭环PWM控制电路配合，构成闭环高精度高隔离度可调高压直流稳压电源，解决了级联型对称双极性高压脉冲电源对高隔离度、低耦合电容、可调高压直流稳压电源的问题，满足了绝缘材料脉冲电寿命加速老化实验对称双极性高压脉冲电源的需要。同时用该方法实现的高隔离度直流电源可进行N级级联叠加构成N*500V高压直流稳压电源。
附图说明
附图为本发明高隔离度高压可调直流稳压电源实施例的结构示意图。
具体实施方式
实施例：
附图所示的高隔离度高压可调直流稳压电源是使用本发明专利的一个实施实例。
（1）电网AC220V交流电源经电磁兼容滤波器（EMC）送到工频整流与滤波电路，得到300V左右的直流电源VX，电源VX分别送到产生高隔离度可调直流稳压电源VH的桥式逆变电路和高隔离度辅助电源电路；
（3）桥式逆变电路工作于闭环脉冲宽度调制（PWM）方式，其PWM控制电路利用0～5V输入信号VG作为电压给定信号，利用对输出电压VH的高隔离度电压检测信号VF作为负反馈信号构成一个输出电压负反馈闭环PWM控制电路，实现对高隔离直流稳压电源VH的稳压和调压控制。使用PWM控制专用集成电路实现闭环PWM控制并产生两路PWM控制信号P+和P-，信号P+送到2个隔离驱动电路产生2个隔离驱动信号P+U和P+D，信号P-送到2个隔离驱动电路产生2个隔离驱动信号P-U和P-D，利用这4个隔离驱动信号控制桥式逆变电路将输入直流电压VX转换为脉冲宽度受控的PWM脉冲VPWM；利用隔离电压为20KV的隔离型高频脉冲变压器B1将脉冲电压VPWM升压，在变压器B1副边得到幅值约为650V的PWM脉冲电压VHP，利用快速整流滤波电路对VHP进行整流和滤波，得到高隔离度直流电源VH。通过闭环PWM控制电路实现对高隔离度高隔离度直流电源VH的调压和稳压控制；
（3）高隔离度电压检测电路中的检测电路使用高隔离度辅助电源中的±V2做工作电源，利用电阻分压得到VHT=KHT.VH，选择电阻分压比KHT≈0.02使VH在0～500V之间调整时VHT在0～10V内跟随VH的变化，VHT经增益为KT的可调增益缓冲放大电路，得到电压VHF=KT.KHT.VH，KT的调整范围选择为0.5～2；VHF由电压频率变换电路（VFC）转换成电脉冲信号SPT，通过调整增益KT使输出电压VH在0～500V间变化时，脉冲信号SPT的频率fSPT在0～500kHz之间对应变化，电脉冲信号SPT由光发射器转换为光脉冲信号，并利用光纤进行隔离传输。
高隔离度电压检测电路中的隔离接收电路使用高隔离度辅助电源中的±V做工作电源，利用光接收器接收由光纤隔离传送的光脉冲信号并转换为电脉冲信号SPR，该脉冲信号SPR的频率fSPR就是SPT的频率fSPR＝fSPT；利用频率电压转换电路（FVC）将脉冲信号SPR转换为电压信号VHR；将VHR送增益KFB可调整的电压缓冲放大器对VHR进行缓冲与调整得到VF=KFB.VHR，增益KFB的调整范围为0.3～3，通过调整KFB使得其输出电压VF＝0.01VH，信号VF作为闭环PWM控制电路的电压负反馈信号；
（4）高隔离度辅助电源由辅助电源PWM电路和两个原边绕组并联的隔离降压型高频脉冲变压器B2和B3构成，辅助电源PWM电路由型号为TOP242的单片式PWM逆变控制集成电路构成，本辅助电源PWM电路的负反馈电压由隔离变压器B2的一个副边绕组提供。电压VX由集成电路TOP242逆变为PWM脉冲，由脉冲变压器隔离降压输出。B2另一组副边绕组输出的PWM信号经快速整流二极管整流和滤波电容滤波得到一对±12V直流辅助电源±V，脉冲变压器B3原副边隔离电压为20kV，B3的原边绕组与B2原边绕组并联，B3副边绕组输出的PWM脉冲经快速二极管整流、电容滤波、12V的稳压集成电路稳压，得到另一对±12V辅助电源±V2。

Claims (1)

1.一种高隔离度可调直流稳压电源的实现方法，其特征在于该高隔离度可调直流稳压电源是这样实现的：
（1）输入直流电压V X送入高隔离度脉冲变压器输出方式的桥式逆变电路，桥式逆变电路工作于闭环脉冲宽度调制方式，脉冲宽度调制即PWM，在闭环脉冲宽度调制控制电路控制下，将输入直流电压V X变换为高隔离度直流电源V H输出，由闭环脉冲宽度调制控制电路实现高隔离度直流电源V H的稳压和调压控制；
（2）脉冲宽度调制控制电路利用0～5V输入信号V G作为电压给定信号，利用对高隔离度直流电源V H的高隔离度电压检测信号V F作为负反馈信号构成输出电压负反馈闭环脉冲调制控制电路，实现高隔离直流稳压电源的稳压和调压控制；闭环脉冲宽度调制控制电路使用脉冲宽度调制控制专用集成电路或微处理器实现闭环控制功能并产生脉冲宽度调制控制信号P+和P-；由隔离驱动电路将P+和P-转换为4个隔离驱动信号P+U、P-U、P+D、P-D，由这4个隔离驱动信号控制桥式逆变电路将输入直流电压V X转换为脉冲宽度受控的脉冲宽度调制脉冲VPWM；利用高隔离度高频脉冲变压器B1将脉冲电压VPWM升压，在B1副边绕组获得高隔离度脉冲电压V HP；利用快速整流滤波电路对VHP进行整流和滤波，得到高隔离度直流电源V H；
（3）高隔离度电压检测电路中的检测电路用电阻分压得到V HT=KHT·V H，其中：KHT是分压系数，VHT是电阻分压器对高隔离度直流电源V H的分压输出信号，电压V HT经增益为KT的可调增益缓冲放大电路，其输出电压为V HF=KT·KHT·V H，使用电压频率变换电路将电压V HF转换成电脉冲信号SPT；增益KT的调整范围为0.5～2，通过调整增益KT使输出电压V H在0～500V间变化时脉冲信号SPT的频率f SPT 在0～500KHz 之间对应变化；电脉冲信号SPT由光发射器转换为光脉冲信号，并利用光纤进行隔离传输；高隔离度电压检测电路中隔离接收电路利用光接收器接收由光纤隔离传输的光信号并转换为电脉冲信号SPR，利用频率电压转换电路将电脉冲信号S PR 转换为电压信号V HR ，将V HR送到增益KFB可调整的电压缓冲放大器对V HR进行缓冲与调整得到V F=KFB·V HR，通过调整KFB得到V H的高隔离度检测信号V F＝0.01VH；
（4）高隔离度辅助电源电路向闭环脉冲宽度调制控制电路、高隔离度电压检测电路提供两对高隔离度辅助电源±V和±V2；电源V X通过辅助电源脉冲宽度调制电路、两个原边绕组并联的高频脉冲变压器B2和B3产生两对固定输出电压辅助电源，两对分别命名为±V和±V2，电压在±12V～±15V之间选择；脉冲变压器B2的一组副边绕组的输出信号作为辅助电源脉冲宽度调制电路的反馈电压构成辅助电源闭环脉冲宽度调制电路将V X逆变为脉冲电压VPF，由B2副边绕组得到降压的脉冲信号，经高频整流和滤波后得到一组与V X共地的辅助电源±V，该对辅助电源±V主要用于V H电源的闭环脉冲宽度调制控制电路和高隔离度电压检测电路中的隔离接收电路；脉冲变压器B3原副边隔离电压不低于20KV，原边绕组与B2原边绕组并联，副边绕组的脉冲电压经高频整流和滤波，再经过三端稳压集成电路得到一对与±V隔离的辅助电源±V2，辅助电源±V2主要用于高隔离度电压检测电路中的检测电路。
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