CN110994809A - 一种浮地隔离高压电源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力线路领域，尤其是一种浮地隔离高压电源，针对现有的高压电源隔离电压达到上万伏时，使用隔离变压器的方法逐渐不可行，这主要是一方面隔离电压不能满足要求，另一方面隔离变压器的效率会降低，同时体积会急剧增大的问题，现提出如下方案，其包括发射电路、接收电路和DC‑DC转换电路，所述发射电路和接收电路电性连接，且发射电路和接收电路之间设有磁屏蔽，接收电路和DC‑DC转换电路电性连接，发射电路包括集成电路T5336和集成电路XKT‑408A。本发明利用非辐射性磁耦合共振进行高压的隔离和能量传输，隔离电压可至5万伏特以上，正极性和负极性可方便进行切换等优点，具有调节方便，安全可靠，取材方便，体积小，结构紧凑，效率高。

Description

一种浮地隔离高压电源

技术领域

本发明涉及电力线路技术领域，尤其涉及一种浮地隔离高压电源。

背景技术

在医学、科学仪器、电力线路等应用领域，直流高压电源是必不可少的部件，如X光机，激光光源，光谱分析检测，无损探伤，半导体制造，毛细管电泳，无损检测等领域。在直流高压电源应用时往往涉及到其电源的操作、控制、测量、调制及波形产生等，因而需要在高压电源上进行DA、AD、PWN控制、身份信息识别等操作。由于一般的半导体器件导体器件都是硅、锗或砷化镓等材料制成，其导电性介于良导电体与绝缘体之间，在进行信号产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换时，其耐压一般在数伏至数百伏之间，因而当在高压上进行操作时，这些控制电路均需要对地进行隔离。

最常用的隔离方法是使用传统的隔离变压器，其主要作用是：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离，另外，利用其变压器磁芯的高频损耗大的特点可抑制高频杂波传入控制回路，从而使抗干扰能力增强，用隔离变压器使二次对地悬浮还有一个很重要的作用就是保护人身安全，隔离危险电压，只能用在供电范围较小、线路较短的场合，此时，系统的对地电容电流小得不足以对人身造成伤害，由于变压器通常命名用铁芯作为导磁材料，通过绕组之间的物理间隔实现电压隔离，其隔离电压通常在1～2000V以内，为满足更高的隔离要求，可以使用双重绝缘或加强绝缘的铁芯及绕线使输入绕组与输出绕组在电气上分开，这样隔离电压可以达到2～5000V，满足通常的隔离需求，需要进一步进行高电压隔离，如隔离电压达到上万伏时，使用隔离变压器的方法变得逐渐不可行，这主要是一方面隔离电压不能满足要求，另一方面隔离变压器的效率会降低，同时体积会急剧增大，因而急需高效的隔离方法，所以我们提出了一种浮地隔离高压电源，用以解决上述所提出的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的高压电源隔离电压达到上万伏时，使用隔离变压器的方法变得逐渐不可行，这主要是一方面隔离电压不能满足要求，另一方面隔离变压器的效率会降低，同时体积会急剧增大的缺点，而提出的一种浮地隔离高压电源。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种浮地隔离高压电源，包括发射电路、接收电路和DC-DC转换电路，所述发射电路和接收电路电性连接，且发射电路和接收电路之间设有磁屏蔽，所述接收电路和DC-DC转换电路电性连接，所述发射电路包括集成电路T5336和集成电路XKT-408A，且集成电路T5336和集成电路XKT-408A组成高频发射模块，所述集成电路XKT-408A的引脚1电性连接有电阻R1和电容C1，所述集成电路XKT-408A的引脚2与电阻R1的另一端电性连接，所述集成电路XKT-408A的引脚3与电容C1的另一端电性连接，所述集成电路XKT-408A的引脚6和集成电路T5336的引脚2电性连接，所述集成电路T5336的引脚8电性连接有电容C2、电容C4和发射线圈L1，所述电容C2的另一端与集成电路T5336的引脚1电性连接，所述电容C4的另一端和发射线圈L1的另一端、集成电路T5336的引脚7、引脚8均电性连接，所述集成电路T5336的引脚3和引脚4电性连接，所述接收电路包括接收线圈L2，所述接收线圈L2的一端电性连接有电阻R2、三极管BG1的基极，所述接收线圈L2的另一端电性连接有电阻R3，所述三极管BG1的发射极和电阻R3和发射线圈L2电性连接，所述电阻R3的另一端电性连接有三极管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管BG3的发射极，所述三极管BG2的基极电性连接有电容C3电阻R4，所述三极管BG3的集电极电性有电容C5和电阻R6，且三极管BG3的集电极与电阻R4的另一端电性连接，所述电阻R6的另一端电性连接有电阻R5，所述电阻R5的另有一端分别和电阻R2另一端和电容C3的另一端电性连接，所述电容C5的另一端与二极管D1的负极电性连接，所述电容C5的另一端电性连接有二极管D3的正极和电阻R7，所述电阻R7的另一端与二极管D2的负极电性连接，所述二极管D3的负极电性连接有三级管BG3基极，采用磁耦合共振省去了磁芯变压器，尽管还使用了发射线圈L1和接收线圈L2进行能量的传输，共电源体积小比传统的隔离变压器小得多，结构紧凑，另一方面，采用磁耦合共振，发射电路和接收电路的振荡频率相同，传输效率高，在高电压的调节方面，采用光耦、高压光隔离器或者光纤、RFID技术进行控制信号传输，干扰小，调节方便，安全可靠，本发明利用非辐射性磁耦合共振进行高压的隔离和能量传输，具有体积小，结构紧凑，效率高。

优选的，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值分别为6200欧姆、3800欧姆、1200欧姆、2700欧姆、1600欧姆、2300欧姆和3900欧姆。

优选的，所述XKT408的集成电路可产生发射模块所需的高频信号，且工作频率可在0～5MHz之间。

优选的，所述发射线圈L1和接收线圈L2之间实现完全的物理电气隔离，为进一步提高隔离电压，可以将发射电路、接收电路及线圈采用绝缘环氧胶进行封装。

优选的，所述电容C1、电容C2、电容C3的容值分别为8PF、10PF和25PF，所述电容C4、电容C5均为可调电容，电容值均为1PF～50PF。

优选的，所述二极管D2和二极管D3均为发光二极管，且二极管D2发出的光源为黄光，二极管D3发出的光源为绿光。

优选的，所述三极管BG1和三极管BG2均为PNP型三极管，所述三极管BG3为NPN型三极管。

优选的，所述电容C2、集成电路XKT-408A的引脚4、电阻R3、三级管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管BG3的发射极均接地。

本发明中，采用磁耦合共振省去了磁芯变压器，尽管还使用了发射线圈L1和接收线圈L2进行能量的传输，其电源体积小比传统的隔离变压器小得多，结构紧凑，另一方面，采用磁耦合共振，发射电路和接收电路的振荡频率相同，传输效率高，在高电压的调节方面，采用光耦、高压光隔离器或者光纤、RFID技术进行控制信号传输，干扰小，调节方便，安全可靠。

本发明利用非辐射性磁耦合共振进行高压的隔离和能量传输，隔离电压可至5万伏特以上，正极性和负极性可方便进行切换等优点，具有调节方便，安全可靠，取材方便，体积小，结构紧凑，效率高。

附图说明

图1为本发明提出的一种浮地隔离高压电源的磁共振耦合电路示意图；

图2为本发明提出的一种浮地隔离高压电源的发射电路示意图；

图3为本发明提出的一种浮地隔离高压电源的接收电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种浮地隔离高压电源，包括发射电路、接收电路和DC-DC转换电路，发射电路和接收电路电性连接，且发射电路和接收电路之间设有磁屏蔽，接收电路和DC-DC转换电路电性连接，发射电路包括集成电路T5336和集成电路XKT-408A，且集成电路T5336和集成电路XKT-408A组成高频发射模块，集成电路XKT-408A的引脚1电性连接有电阻R1和电容C1，集成电路XKT-408A的引脚2与电阻R1的另一端电性连接，集成电路XKT-408A的引脚3与电容C1的另一端电性连接，集成电路XKT-408A的引脚6和集成电路T5336的引脚2电性连接，集成电路T5336的引脚8电性连接有电容C2、电容C4和发射线圈L1，电容C2的另一端与集成电路T5336的引脚1电性连接，电容C4的另一端和发射线圈L1的另一端、集成电路T5336的引脚7、引脚8均电性连接，集成电路T5336的引脚3和引脚4电性连接，接收电路包括接收线圈L2，接收线圈L2的一端电性连接有电阻R2、三极管BG1的基极，接收线圈L2的另一端电性连接有电阻R3，三极管BG1的发射极和电阻R3和发射线圈L2电性连接，电阻R3的另一端电性连接有三极管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管B63的发射极，三极管BG2的基极电性连接有电容C3电阻R4，三极管BG3的集电极电性有电容C5和电阻R6，且三极管BG3的集电极与电阻R4的另一端电性连接，电阻R6的另一端电性连接有电阻R5，电阻R5的另有一端分别和电阻R2另一端和电容C3的另一端电性连接，电容C5的另一端与二极管D1的负极电性连接，电容C5的另一端电性连接有二极管D3的正极和电阻R7，电阻R7的另一端与二极管D2的负极电性连接，二极管D3的负极电性连接有三级管BG3基极，控制信号与高压部件的隔离采用光隔离的方式，在5000伏以内时，可采用通常的光耦即可，在5000伏至20000伏之间时，采用高压光隔离器，超过20000时采用电纤进行隔离，或采用RFID技术进行隔离，采用磁耦合共振省去了磁芯变压器，尽管还使用了发射线圈L1和接收线圈L2进行能量的传输，其电源体积小比传统的隔离变压器小得多，结构紧凑，另一方面，本发明采用磁耦合共振，发射电路和接收电路的振荡频率相同，传输效率高，在高电压的调节方面，采用光耦、高压光隔离器或者光纤、RFID技术进行控制信号传输，干扰小，调节方便，安全可靠，本发明利用非辐射性磁耦合共振进行高压的隔离和能量传输，隔离电压可至5万伏特以上，正极性和负极性可方便进行切换等优点，具有调节方便，安全可靠，取材方便，体积小，结构紧凑，效率高。

本发明中，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值分别为6200欧姆、3800欧姆、1200欧姆、2700欧姆、1600欧姆、2300欧姆和3900欧姆。

本发明中，XKT408的集成电路可产生发射模块所需的高频信号，且工作频率可在0～5MHz之间。

本发明中，发射线圈L1和接收线圈L2之间实现完全的物理电气隔离，为进一步提高隔离电压，可以将发射电路、接收电路及线圈采用绝缘环氧胶进行封装，电气隔离的距离在0.1～10cm之间，视隔离电压的高低及隔离介质的不同而优选不同的隔离距离。

本发明中，电容C1、电容C2、电容C3的容值分别为8PF、10PF和25PF，电容C4、电容C5均为可调电容，电容值均为1PF～50PF。

本发明中，二极管D2和二极管D3均为发光二极管，且二极管D2发出的光源为黄光，二极管D3发出的光源为绿光。

本发明中，三极管BG1和三极管BG2均为PNP型三极管，三极管BG3为NPN型三极管。

本发明中，电容C2、集成电路XKT-408A的引脚4、电阻R3、三级管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管BG3的发射极均接地。

本发明中，其初级和次级之间实现高压隔离，系统的电气物理隔离采用空气或环氧绝缘胶等介质，当隔离电压在1万伏以内时，可采用气隙进行隔离，在1万伏至5万伏之间时，可采用环氧绝缘胶进行隔离。

本发明中，采用高频磁共振耦合高压隔离方法，输入地和输出地完全隔离，能量利用率高，可隔离0至20000伏高压，输出功率在0.1W～50W之间，效率在80～90之间，采用集成电路T5336及XKT-408组成高频发射模块，XKT408具有精度高，稳定性好等特点，多用于高频逆变电路，可产生发射模块所需的高频信号，并对工作频率进行调整，电源电压范围较宽，且工作频率可在0～5MHz之间选择，采用磁耦合共振省去了磁芯变压器，尽管还使用了发射线圈L1和接收线圈L2进行能量的传输，其电源体积小比传统的隔离变压器小得多，结构紧凑，另一方面，本发明采用磁耦合共振，发射电路和接收电路的振荡频率相同，传输效率高，在高电压的调节方面，采用光耦、高压光隔离器或者光纤、RFID技术进行控制信号传输，干扰小，调节方便，安全可靠，结构紧凑，效率高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种浮地隔离高压电源，包括发射电路、接收电路和DC-DC转换电路，所述发射电路和接收电路电性连接，且发射电路和接收电路之间设有磁屏蔽，所述接收电路和DC-DC转换电路电性连接，其特征在于，所述发射电路包括集成电路T5336和集成电路XKT-408A，且集成电路T5336和集成电路XKT-408A组成高频发射模块，所述集成电路XKT-408A的引脚1电性连接有电阻R1和电容C1，所述集成电路XKT-408A的引脚2与电阻R1的另一端电性连接，所述集成电路XKT-408A的引脚3与电容C1的另一端电性连接，所述集成电路XKT-408A的引脚6和集成电路T5336的引脚2电性连接，所述集成电路T5336的引脚8电性连接有电容C2、电容C4和发射线圈L1，所述电容C2的另一端与集成电路T5336的引脚1电性连接，所述电容C4的另一端和发射线圈L1的另一端、集成电路T5336的引脚7、引脚8均电性连接，所述集成电路T5336的引脚3和引脚4电性连接，所述接收电路包括接收线圈L2，所述接收线圈L2的一端电性连接有电阻R2、三极管BG1的基极，所述接收线圈L2的另一端电性连接有电阻R3，所述三极管BG1的发射极和电阻R3和发射线圈L2电性连接，所述电阻R3的另一端电性连接有三极管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管BG3的发射极，所述三极管BG2的基极电性连接有电容C3电阻R4，所述三极管BG3的集电极电性有电容C5和电阻R6，且三极管BG3的集电极与电阻R4的另一端电性连接，所述电阻R6的另一端电性连接有电阻R5，所述电阻R5的另有一端分别和电阻R2另一端和电容C3的另一端电性连接，所述电容C5的另一端与二极管D1的负极电性连接，所述电容C5的另一端电性连接有二极管D3的正极和电阻R7，所述电阻R7的另一端与二极管D2的负极电性连接，所述二极管D3的负极电性连接有三级管BG3基极。

2.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7的阻值分别为6200欧姆、3800欧姆、1200欧姆、2700欧姆、1600欧姆、2300欧姆和3900欧姆。

3.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述XKT408的集成电路可产生发射模块所需的高频信号，且工作频率可在0～5MHz之间。

4.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述发射线圈L1和接收线圈L2之间实现完全的物理电气隔离，为进一步提高隔离电压，可以将发射电路、接收电路及线圈采用绝缘环氧胶进行封装。

5.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述电容C1、电容C2、电容C3的容值分别为8PF、10PF和25PF，所述电容C4、电容C5均为可调电容，电容值均为1PF～50PF。

6.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述二极管D2和二极管D3均为发光二极管，且二极管D2发出的光源为黄光，二极管D3发出的光源为绿光。

7.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述三极管BG1和三极管BG2均为PNP型三极管，所述三极管BG3为NPN型三极管。

8.根据权利要求1所述的一种浮地隔离高压电源，其特征在于，所述电容C2、集成电路XKT-408A的引脚4、电阻R3、三级管BG2的发射极、二极管D1的正极、二极管D2的正极和三极管BG3的发射极均接地。

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