CN102969905A

CN102969905A - 一种用于智能变电站测试系统的功率放大器

Info

Publication number: CN102969905A
Application number: CN2012105456577A
Authority: CN
Inventors: 张国辉; 井雨刚; 唐新建; 孙运涛; 刘延华; 王永波
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-03-13

Abstract

本发明公开了一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，包括用于输出220V的交流电压的电源输入模块、用于将220V交流电压整流为300V的直流电压的整流桥、用于将300V的直流电压转换为1V~150V的直流电压的DC/DC变换器和用于对基准信号进行功率放大输出的DC/AC变换器，四者顺次连接。采用本发明的用于智能变电站测试系统的功率放大器，可提高功率放大器的效率，并增加功率放大器的功率密度。此外，该功率放大器还可设置过流保护和过压保护的多重保护设计，以保证系统运行时的稳定性和安全性。

Description

一种用于智能变电站测试系统的功率放大器

技术领域

本发明涉及一种功率放大器，具体涉及一种用于智能变电站测试系统的功率放大器。属于智能变电站测试技术领域。

背景技术

随着通信网络技术、光电互感器技术、数字化保护技术的快速发展，多个制造厂家、科研单位在智能电网变电站技术上作了大量的创新研究工作，并取得了智能电网数字化变电站研究的经验和成果。简而言之，数字化变电站是建设统一坚强智能电网的重要组成部分，数字化变电站将变革传统变电站的一、二次设备，以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通讯平台为基础，对应每套一次设备的保护和测控装置均需运行于网络，二次设备所需的电流、电压和控制信号，以及保护和测控装置在运行中产生的所有数据，又都以统一的通讯规约与网络进行交换，通过对数字化信息进行标准化，实现信息共享和交互操作，并以网络数据为基础，实现数据测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能的变电站。

在智能数字化变电站技术不断发展的同时，对智能电网数字化变电站的测试手段的研究也在不断深入。作为测试手段研究的一个方面，智能变电站测试系统是检验智能变电站的各个电力设备是否正常工作的关键。

另一方面，功率放大器是智能变电站测试系统的核心部分，藉由该功率放大器可完成人为设定信号的功率放大，并驱动模拟型继电保护装置。一般地，功率放大器通常输出功率较大，单模块的输出功率可高达100伏安到几千伏安。在现有技术中，往往采用开关电源加线性功放的组合，利用开关电源模块作为线性功放的供电电源。但是，由于线性功放效率较低，且发热严重，因而功率密度难以提升。有鉴于此，如何设计一种新的功率放大方案，以有效改善功放效率和增加功率密度，是相关领域的技术人员应当解决的一项课题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于智能变电站测试系统的功率放大器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，包括用于输出220V的交流电压的电源输入模块、用于将220V交流电压整流为300V的直流电压的整流桥、用于将300V的直流电压转换为1V~150V的直流电压的DC/DC变换器和用于对基准信号进行功率放大输出的DC/AC变换器，四者顺次连接。

优选的，所述DC/DC变换器为一半桥变换电路。

所述半桥变换电路包括：

一次侧电路，包括电阻R1、电阻R2、开关管Q1和开关管Q2，其中，所述电阻R1的第一端和所述开关管Q1的第一端连接至300V直流电压的一端，所述电阻R2的第二端和所述开关管Q2的第二端连接至300V直流电压的另一端；

高频变压器，具有一次侧绕组、第一二次侧绕组和第二二次侧绕组，所述一次侧绕组的一端电连接至所述电阻R1和电阻R2的共同节点且另一端经由电容C3连接至所述开关管Q1的第二端和所述开关管Q2的第一端；以及

二次侧电路，包括二极管D3、二极管D4、平波电感L1和两个滤波电容C4~C5，二极管D3的阳极连接至第一二次侧绕组的一端且阴极连接至所述平波电感L1的第一端，二极管D4的阳极连接至第二二次侧绕组的一端且阴极连接至所述平波电感L1的第一端，两个滤波电容C4~C5并联连接，滤波电容C4~C5的一端连接至所述平波电感L1的另一端且滤波电容C4~C5的另一端连接至第一二次侧绕组和第二二次侧绕组的共同端。

优选的，所述二极管D3和二极管D4为快速整流二极管。

优选的，所述DC/AC变换器为一全桥变换电路。

所述全桥变换电路包括：

第一桥臂，具有串联连接的开关管Q6和开关管Q7，所述开关管Q6的第一端连接至所述输入电压的一端，所述开关管Q7的第二端连接至所述输入电压的另一端，所述开关管Q6的第二端与所述开关管Q7的第一端电连接形成第一节点A；

第二桥臂，与所述第一桥臂并联连接，具有串联连接的开关管Q8和开关管Q9，所述开关管Q8的第一端连接至所述开关管Q6的第一端，所述开关管Q9的第二端连接至所述开关管Q7的第二端，所述开关管Q8的第二端与所述开关管Q9的第一端电连接形成第二节点B；以及

二阶低通滤波器，包括电感L6、电感L7、电容C6和电容C7，其中，所述电感L6的第一端连接至所述第一节点A，所述电容C6的第一端连接至所述电感L6的第二端和所述电感L7的第一端，所述电容C6的第二端连接至所述第二节点B和所述电容C7的第二端，所述电容C7的第一端与所述电感L7的第二端相连接。

开关管Q6和开关管Q9导通时，所述开关管Q7和开关管Q8截止；所述开关管Q7和开关管Q8导通时，所述开关管Q6和开关管Q9截止。

所述功率放大器还包括对DC/DC变换器的输出电压和输出电流分别进行检测和保护的过压保护电路和过流保护电路。

本发明的有益效果是，采用本发明的用于智能变电站测试系统的功率放大器，可提高功率放大器的效率，并增加功率放大器的功率密度。此外，该功率放大器还可设置过流保护和过压保护的多重保护设计，以保证系统运行时的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为DC/DC变换器的电路图；

图3为DC/AC变换器的一次侧的电路图；

图4为对半桥输出电压进行采样隔离的光耦结构图；

图5为采用图4的光耦对半桥输出电压进行采样隔离的电路原理图；

图6为使用图5的半桥输出电压采样隔离电路时，以输入电压为横坐标且输出电压为纵坐标的拟合线性度曲线；

图7为采用电流互感器法进行过电流检测和保护的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

图1为本发明的结构框图。如图1所示，本发明包括电源输入模块101、整流桥103、DC/DC变换器105和DC/AC变换器107。电源输入模块101输出220V交流电压，整流桥103连接至电源输入模块101，将220V交流电压转换成约300V的直流电压，DC/DC变换器105根据实际使用情况，将300V直流电压转换成1V~150V的直流电压，从而为DC/AC变换器107提供电源。DC/AC变换器107将控制系统所提供的基准信号进行功率放大输出。

DC/DC变换器采用半桥变换器，其主要优点是，开关管关断时承受电压为Vdc，而不是像推挽拓扑或单端正激变换器（Forward）那样为2倍的Vdc。在相同情形下，相当于降低了对开关器件的耐压要求，适用于输入电压高、输出功率大的场合。

图2示出图1的功率放大器中的DC/DC变换器的电路图。具体来说，电阻R1、电阻R2用于确定中点电位，保证电容C1和电容C2上的电压各为Vdc的一半，即1/2Vdc。开关管Q1、开关管Q2可以是MOSFET或IGBT，电容C3是隔直电容，用于防止变压器T1偏磁。二极管D1、二极管D2反并联在开关管Q1和开关管Q2的DS端，将开关管Q1和开关管Q2承受的漏感尖峰电压钳位于Vdc。T1是高频变压器，实现能量的变换和隔离。在高频变压器T1的二次侧，二极管D3和二极管D4是快速整流二极管，电感L1是平波电感，电容C4、电容C5是二次侧滤波电容。电阻R3是假负载，用于保证平波电感L1中的电流保持连续状态。

更详细地，该DC/DC变换器的电路可描述如下。该半桥变换电路包括：一次侧电路、高频变压器和二次侧电路。其中，一次侧电路包括电阻R1、电阻R2、开关管Q1和开关管Q2。电阻R1的第一端和开关管Q1的第一端连接至300V直流电压的一端，电阻R2的第二端和开关管Q2的第二端连接至300V直流电压的另一端。电阻R1、电阻R2用于确定中点电位，保证电容C1和电容C2上的电压各为Vdc的一半，即1/2Vdc，约150V直流电压。高频变压器T1具有一次侧绕组、第一二次侧绕组和第二二次侧绕组。一次侧绕组的一端电连接至电阻R1和电阻R2的共同节点且另一端经由电容C3连接至开关管Q1的第二端和开关管Q2的第一端。二次侧电路包括二极管D3、二极管D4、平波电感L1和两个滤波电容C4~C5，二极管D3的阳极连接至第一二次侧绕组的一端且阴极连接至平波电感L1的第一端，二极管D4的阳极连接至第二二次侧绕组的一端且阴极连接至平波电感L1的第一端，两个滤波电容C4~C5并联连接，滤波电容C4~C5的一端连接至平波电感L1的另一端且滤波电容C4~C5的另一端连接至第一二次侧绕组和第二二次侧绕组的共同端。

图3示出图1的功率放大器中的DC/AC变换器的一次侧的电路图。参照图3，在全桥变换器工作期间，全桥对角线上的两开关管同时导通。例如，在前半个周期，开关管Q6和开关管Q9同时导通，此时开关管Q7和开关管Q8均处于截止状态；在后半个周期，开关管Q7和开关管Q8同时导通，此时开关管Q6和开关管Q9均处于截止状态。每个开关管的导通期间小于半个周期，例如，当开关管Q6及开关管Q9导通时，开关管Q7及开关管Q8截止，输入电压Ui经电感L6、电容C6、电感L7、电容C7所构成的二阶低通滤波器后输出。

更具体地，该DC/AC变换器的电路可描述如下。该全桥变换电路的一次侧电路包括第一桥臂、第二桥臂和二阶低通滤波器。第一桥臂具有串联连接的开关管Q6和开关管Q7，开关管Q6的第一端连接至输入电压Ui的一端，开关管Q7的第二端连接至输入电压Ui的另一端，开关管Q6的第二端与开关管Q7的第一端电连接形成第一节点A。第二桥臂与第一桥臂并联连接，具有串联连接的开关管Q8和开关管Q9。开关管Q8的第一端连接至开关管Q6的第一端，开关管Q9的第二端连接至开关管Q7的第二端，开关管Q8的第二端与开关管Q9的第一端电连接形成第二节点B。

二阶低通滤波器包括电感L6、电感L7、电容C6和电容C7。电感L6的第一端连接至第一节点A，电容C1的第一端连接至电感L6的第二端和电感L7的第一端，电容C1的第二端连接至第二节点B和电容C7的第二端，电容C7的第一端与电感L7的第二端相连接。

此外，还需说明的是，开关管Q6和开关管Q9截止而开关管Q7和开关管Q8尚未导通时，变压器二次侧全波整流的两个二极管同时续流，变压器二次绕组短路，电压为零。

另外，为保证测试信号发生系统的安全性，本申请还采用多重保护设计的保护电路。该保护电路主要分为过压保护电路和过流保护电路。过流保护分别从半桥部分和全桥部分取样。过压保护分别从半桥输出端和高压输出端采样。

半桥电路是整个功率放大电路的核心部分，半桥输出电压是否稳定关系到整个系统的成败。由于控制环采用电压闭环调节方式，半桥电路的电压调节则是电压调节内环。控制电路首先给出一定占空比的PWM驱动波形到半桥电路，于是半桥电路输出相应的直流电压值，经采样电路送回单片机，单片机根据测量值调整给定值，从而实现了电压闭环调节功能。为避免控制电路受功率电路故障的影响，以及提高测量精度，本申请的一实施例中采用可隔离模拟信号的高精度线性光耦HCNR200来进行隔离。图4示出图1的功率放大器中，对半桥输出电压进行采样隔离的光耦结构图。该光耦芯片包括一个高性能的发光二极管LED，两个由同种工艺制成且具有严格比例关系的光敏二极管PD1和光敏二极管PD2。发光二极管LED发出的光被光敏二极管PD1和光敏二极管PD2接收，使用该光耦芯片时，由发光二极管LED和光敏二极管PD1构成输入电路并形成负反馈电路，光敏二极管PD2则构成隔离输出电路。由于输入电路引入负反馈，因而只要发光二极管LED和光敏二极管PD1关系确定，输入部分就稳定。又因为光敏二极管PD1和光敏二极管PD2关系恒定，这样就可使输出信号和输入信号比例关系稳定。

应用光耦HCNR200设计的半桥输出电压采样隔离电路如图5所示。半桥输出直流电压为0V~150V，经分压电阻后，输入反馈电路电压Vi为0~2V。当Vi输入电压为0时，运放A1的反相输入端被电阻R1拉到地电位，当输入电压Vi逐渐增加时，运放A1的输出端将迅速增加，从而流过发光二极管LED的电流将增加，则流过光敏二极管PD1的电流也相应增加，于是运放A1的反相输入端电位将抬高到几乎与Vi相等，两输入端相当于虚短路，电压恒为0，实现了负反馈调节功能。而光耦的传输增益几乎为1，所以运放A2的同相输入端电压几乎与运放A1的反相输入端电压相等。运放A2的作用主要是电压跟随，电阻R4和电容C2则构成高通滤波器，因而输入电压Vi几乎线性地传输到单片机。表1为实验数据。

表1

	Vi	LED阳极电压	PD1阳极电压	PD2阳极电压	Vo(V)
						1	0.0949	1.356	0.0996	0.0955	0.0982
2	0.297	1.392	0.2955	0.2932	0.2926
						3	0.509	1.410	0.506	0.493	0.502
4	0.706	1.421	0.704	0.686	0.698
						5	0.908	1.429	0.905	0.882	0.896
6	1.17	1.438	1.166	1.136	1.156
						7	1.352	1.443	1.349	1.315	1.338
8	1.515	1.447	1.511	1.473	1.499
						9	1.782	1.454	1.779	1.733	1.763
10	2.008	1.458	2.005	1.953	1.987

以输入电压Vi为横坐标，输出电压Vo为纵坐标，用Matlab拟合的线性度曲线如图6所示。从图6中可看出，直线的斜率几乎为1，也即输出电压几乎不失真地传递了输入电压。实验结果表明，该部分电路工作可靠，线性度好，符合设计要求。应用中应该注意几点，一是输入侧和输出侧应该用两片光耦，而不应该用双通道的光耦。二是为了使输出值和输入值相等，电阻R1和电阻R2的值应该相等且不能太小。三是输入电压值不能超过供电电压与发光二极管管压降的差值。

检测电流的主要方法有直接串联取样电阻法、电流互感器法、霍尔元件法等。在本申请中，低压侧部分包括半桥电路输出电流和全桥电路输出电流的过电流保护，均采用电流互感器法进行检测，如图7所示。

电流互感器选用开关电源专用电流互感器TAK12，其变比为200：1，输入电流20A，输出电流100mA，非线性度小于等于2％，抗电强度6000伏，工作频率高达200kHz。电路的工作原理是，通过25Ω的采样电阻R1将互感器测得的交变电流信号转换为交变电压信号，经全桥整流电路得到脉动的直流电压信号，再经平波电容器C1就得到了相对稳定的直流电压信号。运放A1为电压跟随器，电阻R3与电容C2则构成高通滤波器，以对电路中可能产生的尖峰进行抑制。运放A2起电压比较作用。当电路发生过流时，运放A2的同相输入端电压将超过反相输入端的参考电压基准Vref，于是运放输出翻转，该保护信号分作两路，一路送往CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）立即封锁所有输出PWM控制信号，另一路送往单片机作故障报警等处理。由于半桥电路和全桥电路输出电流不同，所以两路保护电路的基准电压不同。

采用本发明的用于智能变电站测试系统的功率放大器，可提高功率放大器的效率，并增加功率放大器的功率密度。此外，该功率放大器还可设置过流保护和过压保护的多重保护设计，以保证系统运行时的稳定性和安全性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，包括用于输出220V的交流电压的电源输入模块、用于将220V交流电压整流为300V的直流电压的整流桥、用于将300V的直流电压转换为1V~150V的直流电压的DC/DC变换器和用于对基准信号进行功率放大输出的DC/AC变换器，四者顺次连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述DC/DC变换器为一半桥变换电路。

3.根据权利要求2所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述半桥变换电路包括：

二次侧电路，包括二极管D3、二极管D4、平波电感L1和两个滤波电容C4、C5，二极管D3的阳极连接至第一二次侧绕组的一端且阴极连接至所述平波电感L1的第一端，二极管D4的阳极连接至第二二次侧绕组的一端且阴极连接至所述平波电感L1的第一端，两个滤波电容C4~C5并联连接，滤波电容C4~C5的一端连接至所述平波电感L1的另一端且滤波电容C4~C5的另一端连接至第一二次侧绕组和第二二次侧绕组的共同端。

4.根据权利要求3所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述二极管D3和二极管D4为快速整流二极管。

5.根据权利要求1所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述DC/AC变换器为一全桥变换电路。

6.根据权利要求5所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述全桥变换电路包括：

7.根据权利要求6所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，开关管Q6和开关管Q9导通时，所述开关管Q7和开关管Q8截止；所述开关管Q7和开关管Q8导通时，所述开关管Q6和开关管Q9截止。

8.根据权利要求1所述的一种用于智能变电站测试系统的功率放大器，其特征在于，所述功率放大器还包括对DC/DC变换器的输出电压和输出电流分别进行检测和保护的过压保护电路和过流保护电路。