宋健 宋平 靳言

摘要：高電壓小電流往往應(yīng)用于諸如電力系統(tǒng)設(shè)備的耐壓測試和稀有氣體的擊穿場景，基于此，設(shè)計了一款高壓電源，該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元級聯(lián)，從而減小了高壓電源的體積和工藝難度。該電源可以實現(xiàn)最高電壓10 kV的恒壓輸出，現(xiàn)對該電源的參數(shù)設(shè)計和工作特性進行詳細介紹，并通過仿真驗證其可行性。

關(guān)鍵詞：高壓電源；倍壓電路；恒壓輸出；耐壓測試

中圖分類號：TM832? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0012-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.004

0? ? 引言

近年來，電力系統(tǒng)設(shè)備過壓檢測等領(lǐng)域?qū)Ω邏弘娫吹捏w積和電壓增益提出了更高的要求。部分電力系統(tǒng)中的設(shè)備往往暴露在較為惡劣的環(huán)境中，如果受到諸如雷擊、誤操作等影響，會引起局部電壓過高，因此對于電氣設(shè)備的絕緣和過壓檢測顯得尤為重要。作為電氣設(shè)備絕緣檢測激勵源的高壓電源在該應(yīng)用領(lǐng)域受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-2]，這也對激勵源的體積提出了要求，因此本文對適用于電氣設(shè)備絕緣檢測的高壓電源開展研究。圖1給出了電氣設(shè)備耐壓檢測的場景。

1? ? 高壓電源的拓撲組成

本文提出的高壓電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成。圖2為整流模塊，該模塊由整流二極管和濾波模塊組成。圖3為高頻變壓器和倍壓單元，其中高頻變壓器由升壓比為1：N的升壓變壓器和開關(guān)管S1組成，CW電壓倍增電路是由多個倍增電容和倍增二極管進行串并聯(lián)構(gòu)成的升壓網(wǎng)絡(luò)，當該網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓呈現(xiàn)交替變化時，輸出電壓隨著倍壓單元級數(shù)成倍增加[3]。圖3為級數(shù)為n的CW電壓倍壓網(wǎng)絡(luò)，通過多級倍壓網(wǎng)絡(luò)的升壓作用，負載端會得到高電壓等級且高功率密度的直流電壓。在級數(shù)為n的CW倍壓電路中，當S1導(dǎo)通時，二極管按照D2、D4、D2n的順序?qū)?，當開關(guān)管S1關(guān)斷時，倍增二極管按照D2n-1、D3、D1的順序?qū)ā?/p>

圖4為本文所提出的高壓電源拓撲圖，該電源由整流單元、高頻隔離升壓變壓器和倍壓單元級聯(lián)而成，市電經(jīng)過整流單元后饋入隔離升壓變壓器單元進行升壓，再經(jīng)過后級的倍壓單元對電壓進行進一步的提升，從而提高了該電源的電壓增益，而該級聯(lián)的結(jié)構(gòu)也減小了電源的體積，從而提高了電源的功率密度[4]，降低了高頻變壓器的工藝難度。本文所提出的高壓電源非常適合應(yīng)用于電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的過壓檢測[5-6]。

2? ? 高壓電源的設(shè)計和工作特性分析

2.1? ? 電壓增益分析

交流電經(jīng)過整流單元整流后電壓Vin′為：

Vin′=0.9Vin? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：Vin為輸入電壓。

整流后的電壓饋入后級變壓器和倍壓單元，可以根據(jù)升壓變壓器的勵磁電感Lm上的伏秒平衡進行推導(dǎo)，開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時勵磁電感Lm上的電壓VLmon、VLmoff分別如式（2）和（3）所示：

VLmon=Vin′，

VLmon=（VC2-VC1）/N? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

VLmoff=VC1/N? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：VC1、VC2分別是電容C1、C2兩端的電壓；N為變壓器變比。

根據(jù)伏秒平衡可得：

DVC2=VC1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：D為占空比。

整理后電壓增益Av可以表示為：

Av=Vo/Vin=9nN/[10（1-D）]? ? ? ? ? ? ?（5）

由式（5）可知，該高壓電源的電壓增益與變壓器匝數(shù)比N、倍增單元級數(shù)n和占空比D相關(guān)，應(yīng)該綜合設(shè)計選取變壓器匝數(shù)比、占空比和倍壓級數(shù)，以增加高壓電源的電壓增益。

2.2? ? 倍壓單元設(shè)計

開關(guān)管S1的電壓應(yīng)力Vstress-S1可以表示為：

Vstress-S1=9Vin/[10（1-D）]? ? ? ? ? ? ? ? （6）

因此，可以通過增加變壓器變比N或降低占空比D，從而達到穩(wěn)定電壓增益的同時降低開關(guān)管電壓應(yīng)力的效果。

根據(jù)文獻[7]所推導(dǎo)的公式可知：

nmax=? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：nmax為CW倍壓電路的最大二倍壓單元級數(shù)；fs為開關(guān)頻率；C為倍壓電容的電容值；Vo為輸出電壓；Io為輸出電流。

因此，對n的選取還需結(jié)合輸出參數(shù)的要求。為了確定N和n，這里推薦先根據(jù)式（5）和上述分析確定n值，再通過增益反求N。

為了獲取10 kV的輸出電壓，并使有源器件的電壓應(yīng)力較低，最終選取倍壓單元的級數(shù)為5，變壓器的升壓比為6，該高壓電源可以在AC220 V的輸入下，在較低占空比（D=0.4）的條件下實現(xiàn)輸出電壓為10 kV的升壓變換。

3? ? 高壓電源的控制回路

圖5所示為本文提出的高壓電源的控制回路，其中k1為輸出電壓的采樣比。該變換器采用閉環(huán)控制來控制輸出電壓Vo，電壓比較器副邊控制電路產(chǎn)生的誤差信號ve1通過電壓比較器與鋸齒信號進行比較，得到復(fù)位信號vre，其中ve1是PI補償下vrs1與參考電壓Vref1之間的誤差電壓，從而實現(xiàn)恒壓輸出?？刂苹芈返母綦x通過光耦元件實現(xiàn)，從而保證了該高壓電源運行的可靠性。

4? ? 仿真驗證

本文搭建了一臺高壓電源的仿真平臺，在表1給出的參數(shù)條件下進行實驗。經(jīng)過上述分析，開關(guān)管的占空比選取在0.4左右。與單開關(guān)高增益變換器相同，選取倍壓單元級數(shù)n=5，并選擇合適的變壓器匝比N。

圖6為高壓電源的變壓器原邊和副邊電流波形圖，原邊電流為諧振電流和勵磁電感電流波形的疊加，副邊電流波形為諧振電流波形，在諧振期間，原邊電流波形近似為正弦波形；圖7為穩(wěn)定后的輸出電壓的波形，由圖可知，輸出電壓Vo穩(wěn)定在10 kV。

5? ? 損耗分析

根據(jù)安秒平衡，二極管的導(dǎo)通損耗可以表示為：

=，? ?i=1，2，…，n? ? ? ? ? ?（8）

式中：是流過電容C2i-1正半周期的電流；是流過電容C2i-1負半周期的電流。

因此可以得到：

=+Io，? ?i=1，2，…，n? ? ? ?（9）

式中：為流經(jīng)奇數(shù)序號的倍增二極管的電流之和。

因此流過二極管的平均電流可以表示為：

==Io，? ?i=1，2，…，n? ? ? ? ? ? ? （10）

二極管的導(dǎo)通損耗Pd-loss可以表示為：

Pd-loss=2nIoVD-R? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中：VD-R為倍增二極管的導(dǎo)通壓降。

對于開關(guān)管S1主要的損耗為其導(dǎo)通損耗PSt，可以表示為：

PSt=IS1-rms2Rds（on）? ? ? ? ? ? ? ?（12）

式中：IS1-rms為流經(jīng)開關(guān)管S1電流的有效值；Rds（on）為開關(guān)管S1導(dǎo)通等效電阻。

變壓器的銅損可以表示為：

PT-copper=ILp-rms2RT-p+ILs-rms2RT-s? ? ? ? ? （13）

式中：ILp-rms為流經(jīng)變壓器原邊繞組電流的有效值；ILs-rms為流經(jīng)變壓器副邊繞組電流的有效值；RT-p為變壓器原邊繞組的等效電阻；RT-s為變壓器副邊繞組的等效電阻。

因此，在實驗中為了減小損耗，盡量選擇導(dǎo)通電阻小的開關(guān)管和正向壓降較低的高壓二極管，以提高高壓電源的效率。

6? ? 結(jié)束語

本文基于電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備過壓檢測的應(yīng)用場景設(shè)計了一款高壓電源，該電源由整流模塊、高頻變壓器和倍壓單元組成，從而有效提高了高壓電源的功率密度，并降低了高頻變壓器的工藝難度。該電源可以實現(xiàn)最高電壓10 kV的恒壓輸出，本文詳細介紹了高壓電源的參數(shù)設(shè)計、工作特性和損耗分析，并通過仿真驗證了其可行性，以證明該高壓電源在電氣設(shè)備過壓檢測場景中的適用性。

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收稿日期：2024-01-14

作者簡介：宋健（1995—），男，河南虞城人，助理工程師，研究方向：電氣高壓試驗。