CN105486910A - 一种直流高压隔离检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流高压隔离检测方法，设有反激变压器，反激变压器由原边励磁绕组、次边检测绕组及采样绕组组成；原边励磁绕组的一端与直流电源相接，另一端与主开关管相接，主开关管与脉冲驱动单元相接，通过主开关管将直流电压斩波成脉冲电压，实现反激变压器的耦合，原边励磁绕组的两端设有用于钳位变压器次级反射电压保护主开关管的原边钳位电路；次边检测绕组的两端设有次边检测电路，次边检测电路由二极管D1和电容C1组成；采样绕组的两端设有次边整流滤波电路，次边整流滤波电路由二极管D2、电容C2及电阻R2组成。本发明通过设反激变压器，通过反激变压器的绕制及低压降二极管的选择，实现隔离、高精度检测、低成本。

Description

一种直流高压隔离检测方法
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别涉及一种直流高压隔离检测方法。
背景技术
在电力电子领域，直流高压输出端特别是千伏级高压的采样检测成为行业的一大难题。既要解决输出端高压跟控制端低压的隔离问题，又要保证采样的精度，如若不隔离，低压端容易串入高压干扰，导致工作异常甚至烧毁电路；传统的隔离手段又受器件的隔离耐压限制无法做到采样过高的直流电压。
传统的直流高压检测，常用的方法有：
1.电阻直接分压。此方法无法实现隔离，存在上述非隔离所带来的所有风险，而且此方法对电阻的精度、耐压、功率等要求较高。采样精度主要受采样电阻的精度影响，要想得到较高的采样精度，则必须采用精度较高的精密电阻；假设被采样电压为kV级，则上端的分压电阻R1耐压至少kV级，通常需要多个电阻串联；当分压后需接稳压管或放大器等需要一定的电流维持的情况，则对上端分压电阻的功率提出较高要求；同时满足精度、耐压、功率等要求的电阻极少，因此，此方法不推荐使用。
2.第三绕组法。此方法为给变压器增加一个辅助绕组，对辅助绕组进行采样反馈并稳压。因为主绕组为非控制状态，负载调整率会比较差，且此方法只适用于对该电源本身，无法检测外部设备电压；同时，该方法也只适用于恒压输出的电源，无法实现恒流输出电路的采样。
3.电压霍尔采样。霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件，如果在输入端通入控制电流，当有一磁场穿过器件感磁面，则在输出端得到霍尔电势，而电压霍尔则是在原边串联一个固定的高精度电阻，当接被测电压时，原边会得到与被测电压按比例对应的电流，同时在输出端得到与被测电压按比例对应的霍尔电势，因此可以得出被测电压大小。此种方法精度高且安全可靠，但体积大、成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，具有隔离、高精度、低成本等特点的直流高压隔离检测方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种直流高压隔离检测方法，其特点是，设有反激变压器，反激变压器由原边励磁绕组、次边检测绕组及采样绕组组成；原边励磁绕组的一端与直流电源相接，另一端与主开关管相接，主开关管与脉冲驱动单元相接，通过主开关管将直流电压斩波成脉冲电压，实现反激变压器的耦合，原边励磁绕组的两端设有用于钳位变压器次级反射电压保护主开关管的原边钳位电路；次边检测绕组的两端设有次边检测电路，所述的次边检测电路由二极管D1和电容C1组成，被检测单元的两端接在电容C1的两端；采样绕组的两端设有将耦合的脉冲信号整流滤波成相对平滑的直流电压的次边整流滤波电路，所述的次边整流滤波电路由二极管D2、电容C2及电阻R2组成，电阻R2的两端设有电压表；
被检测单元的电压记为V1，其最大值记为V1（MAX），次边检测绕组N2的电压记为VN2，二极管D1压降记为VD1，采样绕组N3电压记为VN3，二极管D2压降记为VD2，采样输出电压记为V2，采样绕组N3与次边检测绕组N2之间的电压关系设定为VN3=VN2/n，其中，n为次边检测绕组N2与采样绕组N3两个绕组匝数的比值；
当VN2＜V1+VD1时，二极管D1处于截止状态，VN2受VCC、N1及占空比决定，与被检测单元的电压无关，此时无法实现检测电压的目的；
当VN2＞V1+VD1时，二极管D1处于导通状态，此时VN2=V1+VD1，VN2被被检测单元的电压钳位；若保持VN2＞V1（MAX）+VD1，便可实现VN2始终跟随被检测单元的电压V1变化；
因为VN3=VN2/n，则VN3=(V1+VD1)/n，所以
V2=VN3-VD2=(V1+VD1)/n-VD2
因为V1远远大于VD1，所以VD1可以忽略，并通过变压器绕组设计将V2设定在大于10倍VD2的量级，可忽略VD2的影响，因此，上式可简化为
V2=V1/n；
可见，采样输出电压V2与被测单元的电压V1成比例关系，实现了精确检测被检测单元电压的目的。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案进一步实现，所述的反激变压器采用三明治绕组法，反激变压器设有内外两层原边励磁绕组，次边检测绕组与采样绕组置于内外层的原边励磁绕组之间，次边检测绕组的绕线匝数大于采样绕组的绕线匝数，次边检测绕组包裹在采样绕组外。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案进一步实现，所述的二极管D2为肖特基二极管。
本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案进一步实现，所述的原边钳位电路由二极管D3、电容C3、电阻R1组成。
与现有技术相比，本发明通过设由原边励磁绕组、次边检测绕组及采样绕组组成的反激变压器，具有良好的隔离作用，通过反激变压器的绕制及低压降二极管的选择，依据绕组之间的比例关系，获得高精度的检测电压；设次边整流滤波电路，将耦合的脉冲信号整流滤波成相对平滑的直流电压，不易产生干扰；设脉冲驱动单元，耦合传输了信号，其设计合理，操作方便，简单实用，满足了直流高压检测的安全、隔离、高精度、低成本、体积小及不易产生干扰等特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
参照图1，一种直流高压隔离检测方法，设有反激变压器，反激变压器由原边励磁绕组N1、次边检测绕组N2及采样绕组N3组成；原边励磁绕组N1的一端与直流电源相接，另一端与主开关管Q1相接，主开关管Q1与脉冲驱动单元3相接，通过主开关管Q1将直流电压VCC斩波成脉冲电压，实现反激变压器的耦合，原边励磁绕组N1的两端设有用于钳位变压器次级反射电压保护主开关管Q1不因过压而击穿的原边钳位电路,原边钳位电路由二极管D3、电容C3、电阻R1组成；次边检测绕组N2的两端设有次边检测电路，所述的次边检测电路由二极管D1和电容C1组成，被检测单元1的两端接在电容C1的两端；采样绕组N3的两端设有将耦合的脉冲信号整流滤波成相对平滑的直流电压的次边整流滤波电路，所述的次边整流滤波电路由二极管D2、电容C2及电阻R2组成，电阻R2的两端设有电压表2；所述的脉冲驱动电路为不控的驱动电路，用于驱动主开关管Q1，实现整个电路的工作。
所述的反激变压器采用三明治绕组法，反激变压器设有内外两层原边励磁绕组N1，次边检测绕组N2与采样绕组N3置于内外层的原边励磁绕组N1之间，次边检测绕组N2的绕线匝数大于采样绕组N3的绕线匝数，次边检测绕组N2包裹在采样绕组N3外，气隙尽量小；所述的二极管D2为肖特基二极管。
本发明的检测步骤如下：首先保证电路的连接正确，且器件选择合理（变压器、开关管、二极管、电阻电容等均按反激拓扑设计、选择），直流电压VCC的正常接入，脉冲驱动单元给开关管提供固定占空比的驱动信号；
被检测单元1的电压记为V1，其最大值记为V1（MAX），次边检测绕组N2的电压记为VN2，二极管D1压降记为VD1，采样绕组N3电压记为VN3，二极管D2压降记为VD2，采样输出电压记为V2，采样绕组N3与次边检测绕组N2之间的电压关系设定为VN3=VN2/n，其中，n为次边检测绕组N2与采样绕组N3两个绕组匝数的比值；
当VN2＜V1+VD1时，二极管D1处于截止状态，VN2受直流电压VCC、N1及占空比决定，与被检测单元的电压无关，此时无法实现检测电压的目的；
当VN2＞V1+VD1时，二极管D1处于导通状态，此时VN2=V1+VD1，VN2被被检测单元电压钳位；若保持VN2＞V1（MAX）+VD1，便可实现VN2始终跟随被检测单元的电压V1变化；
因为VN3=VN2/n，则VN3=(V1+VD1)/n,所以
V2=VN3-VD2=(V1+VD1)/n-VD2
因为V1远远大于VD1，所以VD1可以忽略，二极管D2选用肖特基二极管，并通过变压器绕组设计将V2设定在大于10倍（或更大）VD2的量级，可忽略VD2的影响，因此，上式可简化为
V2=V1/n；
可见，采样输出电压V2与被测单元的电压V1成比例关系，在检测过程中，必须保证反激变压器的绕组之间具有严格的比例关系，便可使得采样绕组N3得到的电压与被检测电压1保持严格的比例关系，如此便实现了高压检测，保证检测到的电压的精度，从而达到了精确检测被测单元电压的目的，通过合理的变压器设计，原则上可以检测极高的直流电压；整个反激变换器处于工作状态，且脉冲驱动电路处于开环状态。

Claims (4)

1.一种直流高压隔离检测方法，其特征在于：设有反激变压器，反激变压器由原边励磁绕组、次边检测绕组及采样绕组组成；原边励磁绕组的一端与直流电源相接，另一端与主开关管相接，主开关管与脉冲驱动单元相接，通过主开关管将直流电压斩波成脉冲电压，实现反激变压器的耦合，原边励磁绕组的两端设有用于钳位变压器次级反射电压保护主开关管的原边钳位电路；次边检测绕组的两端设有次边检测电路，所述的次边检测电路由二极管D1和电容C1组成，被检测单元的两端接在电容C1的两端；采样绕组的两端设有将耦合的脉冲信号整流滤波成相对平滑的直流电压的次边整流滤波电路，所述的次边整流滤波电路由二极管D2、电容C2及电阻R2组成，电阻R2的两端设有电压表；
被检测单元的电压记为V1，其最大值记为V1（MAX），次边检测绕组N2的电压记为VN2，二极管D1压降记为VD1，采样绕组N3电压记为VN3，二极管D2压降记为VD2，采样输出电压记为V2，采样绕组N3与次边检测绕组N2之间的电压关系设定为VN3=VN2/n，其中，n为次边检测绕组N2与采样绕组N3两个绕组匝数的比值；
当VN2＜V1+VD1时，二极管D1处于截止状态，VN2受VCC、N1及占空比决定，与被检测单元的电压无关，此时，无法实现检测电压的目的；
当VN2＞V1+VD1时，二极管D1处于导通状态，此时VN2=V1+VD1，VN2被被检测单元的电压钳位；若保持VN2＞V1（MAX）+VD1，便可实现VN2始终跟随被检测单元的电压V1变化；
因为VN3=VN2/n，则VN3=(V1+VD1)/n，所以
V2=VN3-VD2=(V1+VD1)/n-VD2
因为V1远远大于VD1，所以VD1可以忽略，并通过变压器绕组设计将V2设定在大于10倍VD2的量级，可忽略VD2的影响，因此，上式可简化为
V2=V1/n；
可见，采样输出电压V2与被测单元的电压V1成比例关系，实现了精确检测被检测单元电压的目的。
2.根据权利要求1所述的直流高压隔离检测方法，其特征在于：所述的反激变压器采用三明治绕组法，反激变压器设有内外两层原边励磁绕组，次边检测绕组与采样绕组置于内外层的原边励磁绕组之间，次边检测绕组的绕线匝数大于采样绕组的绕线匝数，次边检测绕组包裹在采样绕组外。
3.根据权利要求1所述的直流高压隔离检测方法，其特征在于：所述的二极管D2为肖特基二极管。
4.根据权利要求1所述的直流高压隔离检测方法，其特征在于：所述的原边钳位电路由二极管D3、电容C3、电阻R1组成。
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