CN114487584B - 双极性直流高压隔离采样电路 - Google Patents

双极性直流高压隔离采样电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双极性直流高压隔离采样电路，包括正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、变压器耦合隔离供电单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元，其中，正负高压采样单元用于对正高压和/或负高压采样；正负双极性电压转换单元用于将采样信号转换为高频数字信号；光纤隔离传输单元用于实现高频数字信号隔离传输；电压还原单元用于将高频数字信号转换为直流电压；变压器耦合隔离供电单元用于生成正负双极性电压转换单元和光纤隔离传输单元的供电电压。本发明能提升耐压性能，并能同时实现正负双极性直流高压的隔离采样需求。

Description

双极性直流高压隔离采样电路
技术领域
本发明涉及直流高压电源管控技术，具体是双极性直流高压隔离采样电路。
背景技术
直流高压电源通常配备有电源控制系统对其是否输出直流高压进行管控，为了确保输出直流电压的稳定性，直流高压电源通常还配备有控制回路和输出采样电路，其控制回路采用闭环控制实时对直流高压电源输出直流高压进行检测、调整。现有控制回路常利用到高压采样技术、信号传输和控制技术，高压采样技术基于高压采样系统实现，其根据高压采样系统地线与电源控制系统地线是否共地，分为隔离采样和非隔离采样。输出采样电路用于对直流高压电源输出直流高压进行采样并发送至电源控制系统，进而由电源控制系统根据采样信号对直流高压电源进行管控。
在直流高压电源中为了实现电源控制系统安全工作，避免将输出高压噪声引入控制回路对电源控制系统造成干扰，输出采样电路与控制回路进行电气隔离是必须的。现有直流高压电源的电压控制回路普遍是通过对其中一个单极性(正高压或负高压)电压进行采样和反馈控制，线性光电耦合器是较常用的隔离器件，该器件具有良好的性能和抗干扰能力，被广泛应用于输入和输出信号需要电气隔离的场合，但由于线性光电耦合器隔离电压较低，一般为5kV左右，很难满足更高电压的需求。
发明内容
本发明的目的在于解决现有直流高压电源隔离采样器件耐压较低的问题，提供了一种双极性直流高压隔离采样电路，其能提升耐压性能，并能同时实现正负双极性直流高压的隔离采样需求。
本发明的目的主要通过以下技术方案实现：
双极性直流高压隔离采样电路，包括正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、变压器耦合隔离供电单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元，所述正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元依次连接，变压器耦合隔离供电单元与正负双极性电压转换单元和光纤隔离传输单元连接；
正负高压采样单元，用于对正高压和/或负高压进行采样，并将采样信号发送至正负双极性电压转换单元；
正负双极性电压转换单元，用于将采样信号转换为高频数字信号并发送至光纤隔离传输单元；
光纤隔离传输单元，用于实现高频数字信号隔离传输；
电压还原单元，用于将输入的高频数字信号转换为直流电压；
变压器耦合隔离供电单元，用于实现输入地与高压地之间的电气隔离，并将输入直流电压转换成正负双极性电压转换单元的直流供电电压和光纤隔离传输单元的直流供电电压。
进一步的，所述正负高压采样单元设有两路采样通道分别对正高压和负高压采样，所述正负双极性电压转换单元设有两路转换通道分别对正高压采样信号和负高压采样信号进行转换，所述光纤隔离传输单元设有两路传输通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行传输，所述电压还原单元设有两路还原通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行还原。
进一步的，所述正负高压采样单元的两路采样通道分别为正高压采样电路和负高压采样电路，所述正高压采样电路和负高压采样电路均包括第一并联支路及与第一并联支路串联的第二并联支路，所述第一并联支路相对连接第二并联支路端的另一端作为采样端，所述第二并联支路相对连接第一并联支路端的另一端作为接地端，第一并联支路与第二并联支路之间的线路上设有连接正负双极性电压转换单元的采样信号输出端；所述第一并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器，所述第二并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器和瞬态电压抑制二极管；所述正高压采样电路构成阻容分压电路对正高压进行采样，所述负高压采样电路构成阻容分压电路对负高压进行采样。
进一步的，所述正负双极性电压转换单元的两路转换通道采用两路电压频率转换电路实现，所述电压频率转换电路用于将采样信号转换成设定电压幅度和设定频率的高频数字信号。
进一步的，所述光纤隔离传输单元包括第一驱动电路、信号发送电路、信号接收电路及连接信号发送电路和信号接收电路的两路光纤，两路所述的光纤构成光纤隔离传输单元的两路传输通道，所述第一驱动电路与信号发送电路连接，第一驱动电路用于接收高频数字信号并提高高频数字信号驱动能力后发送至信号发送电路，所述信号发送电路用于将接收经第一驱动电路提高驱动能力的高频数字信号并转换为光信号，所述光纤用于接收信号发送电路转换的光信号并实现隔离传输至信号接收电路，所述信号接收电路接收光信号并转换为高频数字信号发送至电压还原单元；所述变压器耦合隔离供电单元与光纤隔离传输单元连接的一端连接于第一驱动电路和信号发送电路上。
进一步的，所述电压还原单元的两路还原通道采用两路频率电压转换电路实现。
进一步的，所述变压器耦合隔离供电单元包括DC/DC模块、PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器、整流滤波电路、电荷泵及稳压三端，所述DC/DC模块与PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路连接，所述PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器及整流滤波电路依次连接，所述电荷泵和稳压三端均与整流滤波电路连接，所述变压器耦合隔离供电单元通过其电荷泵与正负双极性电压转换单元连接，变压器耦合隔离供电单元通过其稳压三端与光纤隔离传输单元连接，其中：
DC/DC模块，用于输入直流电压并转换成PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路供电直流电压；
PWM芯片，用于产生脉冲信号；
第二驱动电路，用于接收脉冲信号并提高脉冲信号驱动能力后发送至全桥逆变电路；
全桥逆变电路，用于接收经第二驱动电路提高驱动能力的脉冲信号并产生交流信号；
隔离变压器，用于将交流信号传输至整流滤波电路，并实现输入地与高压地之间电气隔离；
整流滤波电路，用于将接收隔离变压器输出的交流信号转换成直流供电电压，并发送至电荷泵和稳压三端；
电荷泵，用于将接收的直流电压转换成正负双极性电压转换单元的直流供电电压；
稳压三端，用于将接收的直流电压转换成光纤隔离传输单元的直流供电电压。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明采用变压器耦合隔离供电单元进行耦合隔离供电、正负高压采样单元获取正高压和负高压采样信号、正负双极性电压转换单元将采样信号转换为两路高频数字信号、光纤隔离传输单元隔离传输、以及电压还原单元将高频数字信号转换为直流电压的隔离采样方法，解决了目前单极性直流高压电源中高压隔离采样耐压较低的问题，能提升耐压性能，并能同时实现正负双极性直流高压的隔离采样需求，填补了双极性直流高压电源中正负双极性直流高压隔离采样技术领域的空白。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一个具体实施例的电路原理框图；
图2为图1中正负高压采样单元和正负双极性电压转换单元的电路原理图；
图3为图1中电压还原单元的单路频率电压转换电路的原理图；
图4为图1中变压器耦合隔离供电单元原理框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，双极性直流高压隔离采样电路，包括正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、变压器耦合隔离供电单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元，其中，正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元依次连接，变压器耦合隔离供电单元与正负双极性电压转换单元和光纤隔离传输单元连接。
本实施例的正负高压采样单元用于对正高压和/或负高压进行采样，并将采样信号发送至正负双极性电压转换单元。如图2所示，本实施例的正负高压采样单元设有两路采样通道分别对正高压和负高压采样，两路采样通道分别为正高压采样电路和负高压采样电路，正高压采样电路和负高压采样电路均包括第一并联支路及与第一并联支路串联的第二并联支路，第一并联支路相对连接第二并联支路端的另一端作为采样端，第二并联支路相对连接第一并联支路端的另一端作为接地端，第一并联支路与第二并联支路之间的线路上设有连接正负双极性电压转换单元的采样信号输出端。本实施例的第一并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器，所述第二并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器和瞬态电压抑制二极管，正高压采样电路的第一并联支路中电阻器为第一电阻R1、电容器为第一电容C1，正高压采样电路的第二并联支路中电阻器为第二电阻R2、电容器为第二电容C2、瞬态电压抑制二极管为第一瞬态电压抑制二极管D1；负高压采样电路的第一并联支路中电阻器为第四电阻R4、电容器为第四电容C4，负高压采样电路的第二并联支路中电阻器为第三电阻R3、电容器为第三电容C3、瞬态电压抑制二极管为第二瞬态电压抑制二极管D2。本实施例的正高压采样电路构成阻容分压电路对正高压进行采样，负高压采样电路构成阻容分压电路对负高压进行采样，通过阻容分压电路分别在第二电阻R2和第三电阻R3对地端产生Vs+、Vs-直流低压信号。其中，瞬态电压抑制二极管主要对低压信号进行保护，本实施例应用时，调节分压电阻电路的阻值将直流高压转化为入0～±5V低压信号，该信号送至正负双极性电压转换单元，调节电容器大小可改变正负高压采样电路的响应时间，通过调节电阻和电容，即可实现对正负高压采样单元的采样电压偏差和线性度调校。
本实施例的正负双极性电压转换单元用于将采样信号转换为高频数字信号并发送至光纤隔离传输单元。如图2所示，本实施例的正负双极性电压转换单元设有两路转换通道分别对正高压采样信号和负高压采样信号进行转换，两路转换通道采用两路电压频率转换电路实现，电压频率转换电路用于将采样信号转换成设定电压幅度和设定频率的高频数字信号。一路电压频率转换电路均包括电压频率转换芯片U1、晶振T1、第五电阻R5、第六电阻R6及第五电容C5，另一路电压频率转换电路均包括电压频率转换芯片U2、晶振T2、第七电阻R7、第八电阻R8及第六电容C6，其中，电压频率转换芯片采用AD652AQ芯片实现。本实施例正负双极性电压转换单元的功能是将输入0～±5V的双极性直流电压转换为高频数字信号，数字信号频率与输入直流电压幅度有关，且输入电压范围、高频数字信号频率可调节。该正负双极性电压转换单元既可以单独对正极性直流电压或负极性直流电压进行转换，也可以同时对正负双极性直流电压进行转换。本实施例的正负双极性电压转换单元工作原理为：当正负双极性电压转换单元处于供电状态，一旦有直流信号输入时，直流信号进入电压频率转换电路，电压频率转换电路将输入直流电压转换成电压幅度5V、固定频率的数字信号发送至光纤隔离传输单元。
本实施例的光纤隔离传输单元用于实现高频数字信号隔离传输，光纤隔离传输单元设有两路传输通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行传输。本实施例的光纤隔离传输单元包括第一驱动电路、信号发送电路、信号接收电路及连接信号发送电路和信号接收电路的两路光纤，两路光纤构成光纤隔离传输单元的两路传输通道，其中，第一驱动电路与信号发送电路连接，第一驱动电路用于接收高频数字信号并提高高频数字信号驱动能力后发送至信号发送电路，信号发送电路用于将接收经第一驱动电路提高驱动能力的高频数字信号并转换为光信号，光纤用于接收信号发送电路转换的光信号并实现隔离传输至信号接收电路，信号接收电路接收光信号并转换为高频数字信号发送至电压还原单元。本实施例的第一驱动电路基于IXDN614SITR驱动器实现，信号发送电路基于HFBR-1412TZ光纤发射器实现，信号接收电路基于HFBR-2412TZ型光电接收器实现。本实施例中变压器耦合隔离供电单元与光纤隔离传输单元连接的一端连接于第一驱动电路和信号发送电路上。本实施例的光纤隔离传输单元通过第一驱动电路接收高频数字信号，并经信号发送电路转换为光信号，光纤用于接收信号发送电路转换的光信号并实现隔离传输至信号接收电路，信号接收电路接收光信号并转换为高频数字信号发送至电压还原单元。光纤隔离传输单元实现两路高频数字信号隔离传输，两路即可单独工作，也可同时工作。单路工作原理为：首先高频数字信号经第一驱动电路后进入光纤隔离传输单元的信号发送电路，信号发送电路将高频数字信号转换为光信号，随后光信号通过光纤实现隔离传输，最后信号接收电路将光信号转换为高频数字信号。光纤隔离传输单元的隔离电压取决于光纤的隔离电压，单路隔离电压大于40kV。由于正负双极性电压转换单元输出高频脉信号驱动电流很小，本实施例通过第一驱动电路提高高频信号电流驱动能力，使信号发送电路中光纤发射器可靠工作。
本实施例的电压还原单元用于将输入的高频数字信号转换为直流电压，电压还原单元设有两路还原通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行还原，两路还原通道采用两路频率电压转换电路实现。其中单路频率电压转换电路如图3所示，包括频率电压转换芯片U3、晶振T3、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11及第七电容C7，其中，频率电压转换芯片采用AD652AQ芯片实现。本实施例的电压还原单元用于将输入的高频数字信号转换为直流电压，电压还原单元采用频率电压转换电路实现，直流电压幅度与频率电压转换电路的外围电路相关，通过改变频率电压转换电路的外围电路参数可以改变输出直流电压幅度。该电压还原单元两路通道既可以单独对高频数字信号进行转换，也可以同时对两路高频数字信号进行转换。工作原理为：当电压还原单元处于供电状态，一旦有高频数字信号输入时，数字信号进入频率电压转换电路，频率电压转换电路根据输入信号频率和转换芯片外围电路将输入的高频数字信号转换成0～+5V的直流电压。
本实施例的变压器耦合隔离供电单元用于实现输入地与高压地之间的电气隔离，并将输入直流电压转换成正负双极性电压转换单元的直流供电电压和光纤隔离传输单元的直流供电电压。如图4所示，本实施例的变压器耦合隔离供电单元包括DC/DC模块、PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器、整流滤波电路、电荷泵及稳压三端，其中，DC/DC模块与PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路连接，PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器及整流滤波电路依次连接，电荷泵和稳压三端均与整流滤波电路连接，所述变压器耦合隔离供电单元通过其电荷泵与正负双极性电压转换单元连接，变压器耦合隔离供电单元通过其稳压三端与光纤隔离传输单元连接。本实施例的DC/DC模块用于输入+24V直流电压并转换成+15V直流电压，作为PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路的输入直流电压；PWM芯片，用于产生电压幅值+15V、频率20kHz脉冲信号；第二驱动电路，用于接收脉冲信号并提高脉冲信号驱动能力后发送至全桥逆变电路；全桥逆变电路，用于接收经第二驱动电路提高驱动能力的脉冲信号并产生交流信号；隔离变压器，用于将交流信号传输至整流滤波电路，并实现输入地与高压地之间电气隔离；整流滤波电路，用于将接收隔离变压器输出的交流信号转换成+15V直流供电电压，并发送至电荷泵和稳压三端；电荷泵，用于将接收的+15V直流电压转换成正负双极性电压转换单元的-15V直流供电电压；稳压三端，用于将接收的+15V直流电压转换成光纤隔离传输单元的+5V直流供电电压。其中，本实施例的第二驱动电路优选采用NCP5183DR2G实现。变压器耦合隔离供电单元的工作原理为：DC/DC模块将输入+24V直流电压转换成+15V直流电压为PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路供电，PWM芯片产生电压幅值+15V、频率20kHz脉冲信号，经第二驱动电路后使全桥逆变电路中开关管交替导通，形成串联谐振电路，产生交流信号，该信号经隔离变压器和整流滤波电路后产生+15V直流电压信号，+15V直流电压经电荷泵产生-15V直流电压，+15V直流电压经稳压三端产生+5V直流电压。+15V、-15V直流电压为正负双极性电压转换单元供电，+5V直流电压为光纤隔离传输单元中第一驱动电路和信号发送电路供电。隔离变压器作用是实现交流信号传输和输入+24V地与高压地之间电气隔离，隔离电压高低主要由变压器次级绕线耐压和初次级之间耐压决定，可达50kV。
本实施例的正负高压采样单元输出的正负极性直流低压信号经正负双极性电压转换单元后输出高频数字信号，正极性与负极性电压幅值(绝对值)相等时，正负双极性电压转换单元输出数字信号的频率相等，电压还原单元中两路频率电压转换电路原理图一样，都是将数字信号转换为正极性电压直流信号。由于本实施例的正负高压采样单元采用独立的两路(两个通道)设计，当该电路处于供电状态下，若只有正高压输入时，电压还原单元就只有正极性对应通道的采样信号输出；若只有负高压输入时，电压还原单元就只有负极性对应通道的采样信号输出；若正负高压同时输入时，电压还原单元两个通道均有采样信号输出。
本实施例应用时，既可以同时将正负两路低压直流信号转换为两路正极性低压直流信号，也可以单独将一路(正直流信号或负直流信号)低压直流信号转换为正极性低压直流信号，且两路采样互不干扰。本实施例转换后输出均为正极性低压直流信号，且输出直流电压范围可调；采用变压器耦合和光纤传输双隔离的方法，可实现高压采样地与控制地的电气隔离，且单路隔离电压大于40kV；通过调节电压还原电路参数，可改变低压直流信号隔离传输的变比，既可以实现低压直流信号1:1隔离传输，也可以根据需要改变低压直流信号隔离传输变比；采样信号经压频转化后为频率信号并通过光纤传输，与周围电磁场影响小；正极性与负极性隔离采样电压偏差小于0.1％。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.双极性直流高压隔离采样电路，其特征在于，包括正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、变压器耦合隔离供电单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元，所述正负高压采样单元、正负双极性电压转换单元、光纤隔离传输单元及电压还原单元依次连接，变压器耦合隔离供电单元与正负双极性电压转换单元和光纤隔离传输单元连接；
正负高压采样单元，用于对正高压和/或负高压进行采样，并将采样信号发送至正负双极性电压转换单元；
正负双极性电压转换单元，用于将采样信号转换为高频数字信号并发送至光纤隔离传输单元；
光纤隔离传输单元，用于实现高频数字信号隔离传输；
电压还原单元，用于将输入的高频数字信号转换为直流电压；
变压器耦合隔离供电单元，用于实现输入地与高压地之间的电气隔离，并将输入直流电压转换成正负双极性电压转换单元的直流供电电压和光纤隔离传输单元的直流供电电压；
所述正负高压采样单元设有两路采样通道分别对正高压和负高压采样，所述正负双极性电压转换单元设有两路转换通道分别对正高压采样信号和负高压采样信号进行转换，所述光纤隔离传输单元设有两路传输通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行传输，所述电压还原单元设有两路还原通道分别对正高压采样信号转换的高频数字信号和负高压采样信号转换的高频数字信号进行还原；
所述正负高压采样单元的两路采样通道分别为正高压采样电路和负高压采样电路，所述正高压采样电路和负高压采样电路均包括第一并联支路及与第一并联支路串联的第二并联支路，所述第一并联支路相对连接第二并联支路端的另一端作为采样端，所述第二并联支路相对连接第一并联支路端的另一端作为接地端，第一并联支路与第二并联支路之间的线路上设有连接正负双极性电压转换单元的采样信号输出端；所述第一并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器，所述第二并联支路包括电阻器及与电阻器并联的电容器和瞬态电压抑制二极管；所述正高压采样电路构成阻容分压电路对正高压进行采样，所述负高压采样电路构成阻容分压电路对负高压进行采样；
所述变压器耦合隔离供电单元包括DC/DC模块、PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器、整流滤波电路、电荷泵及稳压三端，所述DC/DC模块与PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路连接，所述PWM芯片、第二驱动电路、全桥逆变电路、隔离变压器及整流滤波电路依次连接，所述电荷泵和稳压三端均与整流滤波电路连接，所述变压器耦合隔离供电单元通过其电荷泵与正负双极性电压转换单元连接，变压器耦合隔离供电单元通过其稳压三端与光纤隔离传输单元连接，其中：
DC/DC模块，用于输入直流电压并转换成PWM芯片、第二驱动电路及全桥逆变电路供电直流电压；
PWM芯片，用于产生脉冲信号；
第二驱动电路，用于接收脉冲信号并提高脉冲信号驱动能力后发送至全桥逆变电路；
全桥逆变电路，用于接收经第二驱动电路提高驱动能力的脉冲信号并产生交流信号；
隔离变压器，用于将交流信号传输至整流滤波电路，并实现输入地与高压地之间电气隔离；
整流滤波电路，用于将接收隔离变压器输出的交流信号转换成直流供电电压，并发送至电荷泵和稳压三端；
电荷泵，用于将接收的直流电压转换成正负双极性电压转换单元的直流供电电压；
稳压三端，用于将接收的直流电压转换成光纤隔离传输单元的直流供电电压。
2.根据权利要求1所述的双极性直流高压隔离采样电路，其特征在于，所述正负双极性电压转换单元的两路转换通道采用两路电压频率转换电路实现，所述电压频率转换电路用于将采样信号转换成设定电压幅度和设定频率的高频数字信号。
3.根据权利要求1所述的双极性直流高压隔离采样电路，其特征在于，所述光纤隔离传输单元包括第一驱动电路、信号发送电路、信号接收电路及连接信号发送电路和信号接收电路的两路光纤，两路所述的光纤构成光纤隔离传输单元的两路传输通道，所述第一驱动电路与信号发送电路连接，第一驱动电路用于接收高频数字信号并提高高频数字信号驱动能力后发送至信号发送电路，所述信号发送电路用于将接收经第一驱动电路提高驱动能力的高频数字信号并转换为光信号，所述光纤用于接收信号发送电路转换的光信号并实现隔离传输至信号接收电路，所述信号接收电路接收光信号并转换为高频数字信号发送至电压还原单元；所述变压器耦合隔离供电单元与光纤隔离传输单元连接的一端连接于第一驱动电路和信号发送电路上。
4.根据权利要求1所述的双极性直流高压隔离采样电路，其特征在于，所述电压还原单元的两路还原通道采用两路频率电压转换电路实现。
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