CN111913027A - 一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，包括阻抗匹配电路，差分衰减电路，有源滤波和相位裕度补偿电路，以及差分输出电路，其中，阻抗匹配电路对输入的电压进行阻抗匹配，实现输入信号在较宽的频率范围内阻抗比例保持恒定；差分衰减电路，将输入的高压信号进行比例衰减，配合前级阻抗匹配电路，实现在较宽的频率范围内，分压比例恒定；有源滤波和相位裕度补偿电路，实现对输入信号的带宽进行限制，以及在此带宽限制下，增大电路的相位裕度；差分输出电路，对调理信号进行差分输出，信号送到后级ADC处理。本发明实现了对变压器输入的高频高电压信号检测，频率响应好，测量电压高，同时电路结构简单，成本低。

Description

一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路

技术领域

本发明涉及电力电子及控制技术领域，具体涉及一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路。

背景技术

随着智能电网、能源互联网等技术的快速发展，能实现电压隔离、功率变换、能源接入等功能的电力电子变压器，正朝着高压大功率方向快速发展。电力电子器件及变压器在高频开关下运行状态的可靠性，最优效率点的控制，都需要对变压器的功耗进行实时检测。而传统方法是假定变压器端电压在任意工况下等于额定电压，而实际由于电路寄生参数的影响，且电压会随着负载变化而变化，应用这种方法计算得出的变压器功率损耗必然会存在偏差，无法实时反映变压器功率损耗值，不能满足实时控制的需求。

现有技术对变压器电压的测量主要有两种方案：一是利用电压互感器作为变压器电压的检测手段，该方案受限于磁芯和输入电压幅值限制，只能用于工频、低幅值电压的检测。对于10kV中压变压器直接输入的SRC(级联H桥)、MMC(模块化多电平变换器)方案的电力电子变压器，无法满足要求。二是利用高频高压测量仪器，包括利用辅助电阻进行测量和利用惠斯登电桥搭建的高频电压测量电路进行测量。该方案只适合在实验室测量，针对某一工况进行检测。然而实际运行中的情况比较复杂，该检测方法同样无法满足要求。

鉴于目前电力电子变压器电压检测方案存在的问题，本专利提出一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，可以用于变压器内部电力电子器件开关状态下的电压检测，进而实现变压器损耗的实时检测，达到实时控制的目的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，本发明的技术方案为：一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路包括阻抗匹配电路，差分衰减电路，有源滤波和相位裕度补偿电路，以及差分输出电路。

所述的阻抗匹配电路，用于实现输入阻抗和差分衰减电路的分压比例在很宽的频率范围内为恒定值，即实现电路增益不变。阻抗匹配电路一个小单元由一个电阻和电容并联，十个小单元依次级联组成一个大单元，其中一个大单元的小单元电阻分别为R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀，小单元电容分别为C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₁₆、C₁₇、C₁₈、C₁₉、C₂₀，另一个大单元的小单元电阻分别为R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈、R₂₉、R₃₀，小单元电容分别为C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄、C₂₅、C₂₆、C₂₇、C₂₈、C₂₉、C₃₀，其中一个大单元的一端接到输入高电压的正，另一端接到后级差分放大器的输入反向端；另一个大单元的一端接到输入高电压的负，另一端接到后级差分放大器的输入同相端。

所述的差分衰减电路包括第一差分放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2，用于将高幅值电压进行衰减，调理成差分放大器可接受的输入电压范围。第一差分放大器U1，第一差分放大器U1的反相输入端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端连接到第三电阻R3的一端；第一电容C1的一端接到第一差分放大器U1的反向输入端，第一电容C1的另一端接到第一差分放大器U1的同相输出端；第一差分放大器U1的同相输入端接到第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接到第四电阻R4的一端；第二电容C2的一端接到第一差分放大器U1的反向输入端，第二电容C2的另一端接到第一差分电容的反向输出端。第一放大器的共模输出端Vocm接到基准电压上，基准电压设置为后级ADC采样范围的中间值。

所述的有源滤波电路和相位裕度补偿电路，用于限制信号路径的带宽，消除干扰信号，同时在对有源滤波器影响最小下，增大电路的相位裕度。有源滤波电路包括第一差分放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；相位裕度补偿电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4，，第三电容C3两端分别接到第一差分放大器U1的同相输入端和反向输入端；第三电阻R3的另一端接到第一差分放大器U1的同相输出端；第四电阻R4的另一端接到第一差分放大器U1的反向输出端。

所述的差分输出电路包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6，用于将差分放大器输出的差分信号进行差模和共模去耦，调整系统的高频增益和相位，输出接到后面的ADC。差分输出电路第五电阻R5的一端与第一电阻R1和第三电阻R3的一端相连，第五电阻R5的另一端接到第四电容C4的一端和第五电容C5的一端；第六电阻R6的一端接到第二电阻R2和第四电阻R4的一端，第六电阻R6的另一端接到第四电容C4的另一端和第六电容C6的一端；第五电容C5和第六电容C6的另一端接地。

本发明的有益效果为：本发明可以实现电力电子变压器的高压宽频的电压检测，检测电路带宽可以达到M级，达到电力电子变压器电压工作时电力电子器件开关频率10倍以上的要求，进而实现实时控制的要求。

附图说明

图1是本发明电压检测电路功能框图；

图2是本发明电力电子变压器功率模块图；

图3是本发明阻抗匹配电路图；

图4是本发明方波输入图；

图5是本发明差分衰减、有源滤波、相位裕度补偿和差分输出电路图；

图6是本发明50kHz 2000V正弦电压输入时电压采样电路输出波形；

图7是本发明10kHz 2000V方波电压输入时电压采样电路输出波形；

图8是本发明电压采样电路带宽曲线。

具体实施方式

一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，用于检测由电力电子器件开关状态切换导致变压器输入端出现的高幅值电压。具体实现为，通过阻抗匹配电路和差分衰减电路，实现在带宽范围内，电压衰减比例恒定；通过有源滤波和相位裕度补偿电路，实现电路带宽调节和系统稳定；最后通过差分输出电路接到ADC输入端。

如图2所示，电力电子变压器功率模组的电压的检测点为变压器输入端，要实现变压器的实时检测就需要对电压进行高精度实时检测，包含对开通时方波电压的响应跟随、稳态直流电压的测量，以及关断时由于电路寄生参数引起的自激震荡。对于一个开关周期为T，峰峰值为E的输入方便电压，如图4所示，按照傅里叶级数展开为

其中ω₀＝2π/T，t为时间。从展开式可以得出输入电压在开启时，频率很高，电压检测电路需要很高的带宽才能达到电压跟随的要求。

如图3和图5所示，由于采用的模拟器件电阻、电容在高频下阻抗会发生变化，进而导致测量的输出电压在不同频率下幅值不同，这样就无法量化比较。对于阻抗匹配电路，反向输入端需要满足(R₁₁+R₁₂+R₁₃+…+R₂₀)×(C₁₁×C₁₂×C₁₃×…×C₂₀)/(C₁₁+C₁₂+C₁₃+…+C₂₀)＝(R₃×C₃)，同相输入端满足(R₂₁+R₂₂+R₂₃+…+R₃₀)×(C₂₁×C₂₂×C₂₃×…×C₃₀)/(C₂₁+C₂₂+C₂₃+…+C₃₀)＝(R₄×C₄)可以满足反馈分压比例不会随频率变化而变化。由于工艺限制，高频电阻阻值无法做大，输入端需要选择高频特性较好的薄膜电阻和片式多层陶瓷电容进行多级级联，且电阻阻值不可选取过大，差分放大器需要选取高带宽、低噪声器件。

如图5所示，有源滤波、相位补偿电路和差分输出电路，在满足输入信号测量条件下，将系统的带宽进行限制和补偿系统相位裕度，使系统更稳定，其中差分放大器的同相输出端Vout+和反向输出端Vout-满足：

如图6、图7、图8所示，整个系统的带宽可以达到M级，覆盖目前常用电力电子器件如IGBT、MOSFET的工作频率范围，在输入50kHz的高电压下和10kHz的方波高压下均可以实现高精度的响应输出，满足电力电子变压器电压测量需求。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，其特征在于，包括阻抗匹配电路，差分衰减电路，有源滤波和相位裕度补偿电路，以及差分输出电路，用于将电力电子变压器输入的高频高幅值电压转换为可供ADC采样的电压值；

其中，阻抗匹配电路一个小单元由一个电阻和电容并联，十个小单元依次级联组成一个大单元，其中一个大单元的小单元电阻分别为R₁₁、R₁₂、R₁₃、R₁₄、R₁₅、R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀，小单元电容分别为C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄、C₁₅、C₁₆、C₁₇、C₁₈、C₁₉、C₂₀，另一个大单元的小单元电阻分别为R₂₁、R₂₂、R₂₃、R₂₄、R₂₅、R₂₆、R₂₇、R₂₈、R₂₉、R₃₀，小单元电容分别为C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄、C₂₅、C₂₆、C₂₇、C₂₈、C₂₉、C₃₀，其中一个大单元的一端接到输入高电压的正，另一端接到后级差分放大器的输入反向端；另一个大单元的一端接到输入高电压的负，另一端接到后级差分放大器的输入同相端；

差分衰减电路包括第一差分放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2；

有源滤波电路包括第一差分放大器U1、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3；

相位裕度补偿电路包括第一电容C1、第二电容C2、第三电阻R3、第四电阻R4；

差分输出电路，包括第五电阻R5、第六电阻R6、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6。

2.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，其特征在于，所述的阻抗匹配电路和差分衰减电路，采用电阻和电容并联的多级串联结构进行电压衰减，反向输入端满足(R₁₁+R₁₂+R₁₃+…+R₂₀)×(C₁₁×C₁₂×C₁₃×…×C₂₀)/(C₁₁+C₁₂+C₁₃+…+C₂₀)＝(R₃×C₃)，同相输入端满足(R₂₁+R₂₂+R₂₃+…+R₃₀)×(C₂₁×C₂₂×C₂₃×…×C₃₀)/(C₂₁+C₂₂+C₂₃+…+C₃₀)＝(R₄×C₄)，则反馈分压比例不会随频率变化而变化，以上电路串联级数可根据前级电压幅值进行调整，在满足比例关系下，均可实现在较宽频率范围内衰减比例恒定。

3.根据权利要求2所述的一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，其特征在于，阻抗匹配电路采用的电阻和电容为频率特性较好的薄膜电阻和多层陶瓷片电容并联，且电阻阻值尽量选择降低阻值。

4.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，其特征在于，所述有源滤波电路和相位裕度补偿电路，有源滤波电路用于限制信号路径的带宽，带宽通常设置为输入信号的十倍以上；相位裕度补偿电路，用于补偿由于有源滤波电路带来的高频极点，使系统在设置带宽内稳定。

5.根据权利要求1所述的一种应用于电力电子变压器的高压宽频的电压检测电路，其特征在于，所述差分输出电路，在差分放大器差分输出后进行差模和共模去耦，同时调整系统带宽和相位，增加系统稳定性。

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