專利名稱：一種高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高隔離度可調(diào)高壓直流穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
絕緣材料的電壽命對電工電子設(shè)備具有極重要的影響。電氣新裝備研制中需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)獲得所采用的絕緣結(jié)構(gòu)的電氣壽命信息，電工絕緣材料研制中需要盡可能快的獲得新配方和新工藝下絕緣材料的電氣壽命信息。為了盡快獲得絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣材料的壽命彳目息，通常在不改變絕緣壽命失效機(jī)理的條件下，利用加速壽命評估實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行絕緣材料壽命的加速老化實(shí)驗(yàn)評估。以往的加速實(shí)驗(yàn)評估方法和實(shí)驗(yàn)評估裝置主要針對直流和工頻正弦交流電壓下絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣材料壽命的評估，隨著變頻驅(qū)動(dòng)和新能源發(fā)電應(yīng)用的需要，施加在電氣裝備上的電壓由原來的直流電和工頻正弦交流電壓變?yōu)楦哳l高壓脈沖電壓，電工絕緣材料所承受的電壓也由原來的直流電壓和工頻正弦交流電壓變?yōu)檫B續(xù)高頻高壓脈沖電壓。電工絕緣材料所承受的電應(yīng)力環(huán)境發(fā)生了變化，理論和實(shí)踐均證實(shí)重復(fù)高頻高壓脈沖電應(yīng)力對絕緣材料壽命的影響比直流和工頻正弦交流電應(yīng)力要嚴(yán)酷得多，以往在直流和工頻正弦交流電壓下研制的絕緣材料壽命加速評估實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置已不適用于新的應(yīng)用環(huán)境。脈沖電應(yīng)力下電氣絕緣結(jié)構(gòu)和電工絕緣材料壽命的加速實(shí)驗(yàn)評估裝置需要有高性能的對稱雙極性高頻高壓方波脈沖電源。利用功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的橋式逆變電路可以產(chǎn)生峰峰值在O IKV之間連續(xù)可調(diào)的高性能對稱雙極性脈沖電源，但由于功率半導(dǎo)體器件耐壓性能的的限制，當(dāng)前還難以用一個(gè)常規(guī)橋式逆變電路單元產(chǎn)生峰峰值在O 20kV可調(diào)的高性能對稱雙極性方波脈沖電源，利用脈沖變壓器升壓可以獲得所需要的電壓幅值，但其脈沖上升時(shí)間和對稱性等脈沖參數(shù)又難以滿足絕緣材料壽命加速老化試驗(yàn)的需要。利用多個(gè)相互獨(dú)立且同步工作的O IKV高性能方波脈沖電源級聯(lián)，是產(chǎn)生絕緣材料電壽命加速實(shí)驗(yàn)用O 20KV高性能對稱雙極性方波脈沖電源的一種方法。為了能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)這種頻脈沖電源的級聯(lián)，需要為每個(gè)獨(dú)立的橋式逆變電路提供一組相互隔離的直流電源，其隔離電壓不低于方波脈沖的峰峰值電壓20KV，同時(shí)要求各組隔離電壓之間的耦合電容以及隔離電源對地之間的耦合電容要小。當(dāng)前主要利用兩個(gè)工頻隔離變壓器實(shí)現(xiàn)隔離，第一個(gè)工頻隔離變壓器提供高隔離度的12V直流輔助工作電源，第二個(gè)工頻隔離變壓器的原邊接電動(dòng)或手動(dòng)調(diào)壓器的輸出端，通過自動(dòng)或手動(dòng)方式操作調(diào)壓器來產(chǎn)生O 500V可調(diào)直流工作電源。這種方法可以獲得各橋式逆變電路所需要的隔離電壓達(dá)20kV的直流電源，但由于工頻變壓器的繞組匝數(shù)較多以及工藝上的限制各副邊繞組之間耦合電容、副邊繞組與原邊繞組之間的耦合電容、各繞組與變壓器鐵芯之間的耦合電容都比較大，導(dǎo)致各組隔離電壓之間的耦合電容以及隔離電源對地之間的耦合電容較大，這個(gè)耦合電容直接影響對稱雙極性高壓脈沖電源的性能，開關(guān)電源的耦合電容可以做得比較小，但當(dāng)前的開關(guān)型直流電源的隔離電壓不能滿足要求，故當(dāng)前的對稱雙極性高壓脈沖電源還不能完全滿足絕緣材料電壽命加速老化實(shí)驗(yàn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)方法。該高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源是這樣實(shí)現(xiàn)的(I)輸入直流電源Vx送入高隔離度脈沖變壓器輸出方式的橋式逆變電路，橋式逆變電路工作于閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制方式，脈沖寬度調(diào)制即PWM，在閉環(huán)PWM控制電路控制下，將輸入直流電壓\變換為高隔離度直流電源Vh輸出，由閉環(huán)PWM控制電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓Vh的穩(wěn)壓和調(diào)壓控制；(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制電路利用O 5V輸入信號Ve作為電壓給定信號，利用對輸出電壓Vh的高隔離度電壓檢測信號Vf作為負(fù)反饋信號構(gòu)成輸出電壓負(fù)反饋閉環(huán)脈沖調(diào)制(閉環(huán)PWM)控制電路，實(shí)現(xiàn)高隔離直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓和調(diào)壓控制。閉環(huán)PWM控制電路使用PWM控制專用集成電路或微處理器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能并產(chǎn)生PWM控制信號P+和P-；由隔尚驅(qū)動(dòng)電路將P+和P-轉(zhuǎn)換為4個(gè)隔尚驅(qū)動(dòng) η號P +U'P-U'P+D'P-D 由這4個(gè)隔尚驅(qū)動(dòng)信號控制橋式逆變電路將輸入直流電壓Vx轉(zhuǎn)換為脈沖寬度受控的PWM脈沖Vpwm ;利用高隔離度高頻脈沖變壓器BI將脈沖電壓Vpwm升壓，在BI付邊繞組獲得高隔離度脈沖電壓Vhp ;利用快速整流濾波電路對Vhp進(jìn)行整流和濾波，得到高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源Vh ；(3)高隔離度電壓檢測電路中的檢測電路電阻分壓得到Vht = Kht · Vh,電壓Vht經(jīng)增益為Kt的可調(diào)增益緩沖放大電路，其輸出電壓為Vhf = Kt · Kht · Vh,使用電壓頻率變換電路(VFC)將電壓Vhf轉(zhuǎn)換成電脈沖信號SPT。增益Kt的調(diào)整范圍為O. 5 2，通過調(diào)整增益Kt使輸出電壓Vh在O 500V間變化時(shí)脈沖信號Spt的頻率fSPT在O 500KHz之間對應(yīng)變化。電脈沖信號Spt由光發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光脈沖信號,并利用光纖進(jìn)行隔離傳輸。高隔離度電壓檢測電路中隔離接收電路利用光接收器接收由光纖隔離傳輸?shù)墓庑盘柌⑥D(zhuǎn)換為電脈沖信號Spk，利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(FVC)將電脈沖信號SpkR換為電壓信號Vhk，將Vhk送到增益Kfb可調(diào)整的電壓緩沖放大器對Vhk進(jìn)行緩沖與調(diào)整得到Vf = Kfb · Vhk，通過調(diào)整Kfb得到Vh的高隔離度檢測信號Vf = O. OIVh ；(4)高隔離度輔助電源電路向閉環(huán)PWM控制電路、高隔離度電壓檢測電路提供兩對高隔離度輔助電源±￥和土V2。電源Vx通過輔助電源PWM電路、兩個(gè)原邊繞組并聯(lián)的高頻脈沖變壓器B2和B3產(chǎn)生兩對固定輸出電壓輔助電源，兩對分別命名為土 V和土 V2，電壓在±12V ±15V之間選擇；脈沖變壓器B2的一組副邊繞組的輸出信號作為輔助電源PWM電路的反饋電壓構(gòu)成輔助電源閉環(huán)PWM電路將Vx逆變?yōu)槊}沖電壓VPF，由B2副邊繞組得到降壓的脈沖信號，經(jīng)高頻整流和濾波后得到一組與Vx共地的輔助電源土V，該對輔助電源主要用于Vh電源的閉環(huán)PWM控制電路和高隔離度電壓檢測電路中的隔離接收電路；脈沖變壓器B3原副邊隔離電壓不低于20KV，原邊繞組與B2原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組的脈沖電壓經(jīng)高頻整流和濾波，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成電路得到一對與±￥隔離的輔助電源土V2，輔助電源土V2主要用于高隔離度電壓檢測電路中的檢測電路。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用本方法可以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的高隔離度檢測，從而構(gòu)成閉環(huán)控制O 500V可調(diào)、輸出電壓與輸入之間的隔離電壓達(dá)到20KV的直流穩(wěn)壓電源，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的高隔離度檢測，與高隔離度高頻脈沖變壓器、橋式逆變電路、閉環(huán)PWM控制電路配合，構(gòu)成閉環(huán)高精度高隔離度可調(diào)高壓直流穩(wěn)壓電源，解決了級聯(lián)型對稱雙極性高壓脈沖電源對高隔離度、低耦合電容、可調(diào)高壓直流穩(wěn)壓電源的問題，滿足了絕緣材料脈沖電壽命加速老化實(shí)驗(yàn)對稱雙極性高壓脈沖電源的需要。同時(shí)用該方法實(shí)現(xiàn)的高隔離度直流電源可進(jìn)行N級級聯(lián)疊加構(gòu)成N*500V高壓直流穩(wěn)壓電源。


附圖為本發(fā)明高隔離度高壓可調(diào)直流穩(wěn)壓電源實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例 附圖所示的高隔離度高壓可調(diào)直流穩(wěn)壓電源是使用本發(fā)明專利的一個(gè)實(shí)施實(shí)例。(I)電網(wǎng)AC220V交流電源經(jīng)電磁兼容濾波器(EMC)送到工頻整流與濾波電路，得到300V左右的直流電源Vx，電源Vx分別送到產(chǎn)生高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源Vh的橋式逆變電路和高隔離度輔助電源電路；(3)橋式逆變電路工作于閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式，其PWM控制電路利用O 5V輸入信號Ve作為電壓給定信號,利用對輸出電壓Vh的高隔離度電壓檢測信號Vf作為負(fù)反饋信號構(gòu)成一個(gè)輸出電壓負(fù)反饋閉環(huán)PWM控制電路，實(shí)現(xiàn)對高隔離直流穩(wěn)壓電源Vh的穩(wěn)壓和調(diào)壓控制。使用PWM控制專用集成電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)PWM控制并產(chǎn)生兩路PWM控制信號P+和P-，信號P+送到2個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生2個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)信號P+u和P+D，信號P-送到2個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生2個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)信號Phi和P_D，利用這4個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)信號控制橋式逆變電路將輸入直流電壓Vx轉(zhuǎn)換為脈沖寬度受控的PWM脈沖Vpwm ;利用隔離電壓為20KV的隔離型高頻脈沖變壓器BI將脈沖電壓Vpwm升壓，在變壓器BI副邊得到幅值約為650V的PWM脈沖電壓VHP，利用快速整流濾波電路對Vhp進(jìn)行整流和濾波，得到高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源VH。通過閉環(huán)PWM控制電路實(shí)現(xiàn)對高隔離度輸出電壓Vh的調(diào)壓和穩(wěn)壓控制；(3)高隔離度電壓檢測電路中的檢測電路使用高隔離度輔助電源中的土V2做工作電源，利用電阻分壓得到Vht = Kht · Vh,選擇Kht ^ O. 02使Vh在O 500V之間調(diào)整時(shí)Vht在O IOV內(nèi)跟隨Vh的變化，Vht經(jīng)增益為Kt的可調(diào)增益緩沖放大電路，得到電壓Vhf =Kt · Kht · VH, Kt的調(diào)整范圍選擇為O. 5 2 ；VHF由電壓頻率變換電路(VFC)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號SPT，通過調(diào)整增益Kt使輸出電壓Vh在O 500V間變化時(shí)，脈沖信號Spt的頻率fSPT在O 500kHz之間對應(yīng)變化，電脈沖信號Spt由光發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光脈沖信號,并利用光纖進(jìn)行隔離傳輸。高隔離度電壓檢測電路中的隔離接收電路使用高隔離度輔助電源中的土V做工作電源，利用光接收器接收由光纖隔離傳送的光脈沖信號并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號SPK，該脈沖信號Spk的頻率fSPK就是Spt的頻率fSPK = fSPT ;利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路(FVC)將脈沖信號Spk轉(zhuǎn)換為電壓信號Vhk ;將Vhe送增益Kfb可調(diào)整的電壓緩沖放大器對Vhk進(jìn)行緩沖與調(diào)整得到Vf = Kfb-Vhe,增益Kfb的調(diào)整范圍為O. 3 3，通過調(diào)整Kfb使得其輸出電壓Vf = O. OIVh,信號Vf作為閉環(huán)PWM控制電路的電壓負(fù)反饋信號；(4)高隔離度輔助電源由輔助電源PWM電路和兩個(gè)原邊繞組并聯(lián)的隔離降壓型高頻脈沖變壓器B2和B3構(gòu)成，輔助電源PWM電路由型號為T0P242的單片式PWM逆變控制集成電路構(gòu)成，本輔助電源PWM電路的負(fù)反饋電壓由隔離變壓器B2的一個(gè)副邊繞組提供。電壓Vx由集成電路T0P242逆變?yōu)镻WM脈沖，由脈沖變壓器隔離降壓輸出。B2另一組副邊繞組輸出的PWM信號經(jīng)快速整流二極管整流和濾波電容濾波得到一對±12V直流輔助電源土V，脈沖變壓器B3原副邊隔離電壓為20kV，B3的原邊繞組與B2原邊繞組并聯(lián)，B3副邊繞組輸出的PWM脈沖經(jīng)快速二極管整流、電容濾波、12V的穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓，得到另一對土 12V輔 助電源土V2。
權(quán)利要求
1.一種高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于該高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源是這樣實(shí)現(xiàn)的 (1)輸入直流電源Vx送入高隔離度脈沖變壓器輸出方式的橋式逆變電路，橋式逆變電路工作于閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制方式，脈沖寬度調(diào)制即PWM，在閉脈沖寬度調(diào)制控制電路控制下，將輸入直流電壓Vx變換為高隔離度直流電源Vh輸出，由閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制電路實(shí)現(xiàn)輸出電壓Vh的穩(wěn)壓和調(diào)壓控制； (2)脈沖寬度調(diào)制控制電路利用O 5V輸入信號Ve作為電壓給定信號，利用對輸出電壓Vh的高隔離度電壓檢測信號Vf作為負(fù)反饋信號構(gòu)成輸出電壓負(fù)反饋閉環(huán)脈沖調(diào)制控制電路，實(shí)現(xiàn)高隔離直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓和調(diào)壓控制；閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制電路使用脈沖寬度調(diào)制控制專用集成電路或微處理器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能并產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制控制信號P+和P-;由隔離驅(qū)動(dòng)電路將P+和P-轉(zhuǎn)換為4個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)信號P+u、P_u、P+D、P_D，由這4個(gè)隔離驅(qū)動(dòng)信號控制橋式逆變電路將輸入直流電壓Vx轉(zhuǎn)換為脈沖寬度受控的脈沖寬度調(diào)制脈沖Vpwm ;利用高隔離度高頻脈沖變壓器BI將脈沖電壓Vpwm升壓，在BI付邊繞組獲得高隔離度脈沖電壓VHP;利用快速整流濾波電路對Vhp進(jìn)行整流和濾波，得到高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源Vh ; (3)高隔離度電壓檢測電路中的檢測電路電阻分壓得到Vht= Kht · Vh,電壓Vht經(jīng)增益為Kt的可調(diào)增益緩沖放大電路，其輸出電壓為Vhf = Kt · Kht · Vh,使用電壓頻率變換電路將電壓Vhf轉(zhuǎn)換成電脈沖信號Spt ;增益Kt的調(diào)整范圍為O. 5 2，通過調(diào)整增益Kt使輸出電壓Vh在O 500V間變化時(shí)脈沖信號Spt的頻率fSPT在O 500KHz之間對應(yīng)變化；電脈沖信號Spt由光發(fā)射器轉(zhuǎn)換為光脈沖信號，并利用光纖進(jìn)行隔離傳輸；高隔離度電壓檢測電路中隔離接收電路利用光接收器接收由光纖隔離傳輸?shù)墓庑盘柌⑥D(zhuǎn)換為電脈沖信號Spk，利用頻率電壓轉(zhuǎn)換電路將電脈沖信號Spk轉(zhuǎn)換為電壓信號Vhk，將Vhk送到增益Kfb可調(diào)整的電壓緩沖放大器對Vhk進(jìn)行緩沖與調(diào)整得到Vf = Kfb · Vhe,通過調(diào)整Kfb得到Vh的高隔離度檢測信號 Vf = O. OIVh; (4)高隔離度輔助電源電路向閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制電路、高隔離度電壓檢測電路提供兩對高隔離度輔助電源±^和土V2 ;電源Vx通過輔助電源脈沖寬度調(diào)制電路、兩個(gè)原邊繞組并聯(lián)的高頻脈沖變壓器B2和B3產(chǎn)生兩對固定輸出電壓輔助電源，兩對分別命名為土 V和土V2，電壓在±12V ±15V之間選擇；脈沖變壓器B2的一組副邊繞組的輸出信號作為輔助電源脈沖寬度調(diào)制電路的反饋電壓構(gòu)成輔助電源閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制電路將Vx逆變?yōu)槊}沖電壓Vpf，由B2副邊繞組得到降壓的脈沖信號，經(jīng)高頻整流和濾波后得到一組與Vx共地的輔助電源土V，該對輔助電源主要用于￥11電源的閉環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制電路和高隔離度電壓檢測電路中的隔離接收電路；脈沖變壓器B3原副邊隔離電壓不低于20KV，原邊繞組與B2原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組的脈沖電壓經(jīng)高頻整流和濾波，再經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成電路得到一對與土 V隔離的輔助電源土 V2，輔助電源土 V2主要用于高隔離度電壓檢測電路中的檢測電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高隔離度可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的實(shí)現(xiàn)方法。用電壓檢測電路、VFC、光纖、FVC和增益可調(diào)緩沖放大器實(shí)現(xiàn)0～500V高隔離輸出電壓VH的高隔離度檢測，得到0～5V高隔離檢測信號VF。用VF作負(fù)反饋信號構(gòu)成閉環(huán)PWM控制電路對橋式逆變電路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對高隔離輸出電壓VH的調(diào)壓和穩(wěn)壓控制。直流電源VX由橋式逆變電路逆變?yōu)镻WM脈沖，由耐壓20kV的脈沖變壓器B1隔離，隔離輸出脈沖經(jīng)整流濾波得到高隔離可調(diào)直流電源VH。電路所需的兩對高隔離工作電源由耐壓20kV的高隔離輔助電源電路提供。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的直流穩(wěn)壓電源隔離度高，滿足級聯(lián)式高壓脈沖電源的需要，且通過級聯(lián)可獲得更高電壓的直流穩(wěn)壓電源。
文檔編號H02M3/335GK102624244SQ20121011870
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月21日
發(fā)明者張興旺, 職燕, 蔣存波, 金紅, 陳小琴 申請人:桂林理工大學(xué)