第４４卷第５期２０１０年５月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４４．Ｎｏ．５Ｍａｙ，２０１０模块化绝缘老化试验高压脉冲电源的研制温志开，郭育华，何丽梅，王伟栋（磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，ｌⅡＩ／ｌＩ成都６１００３１）摘要：根据绝缘材料检测的需要，研制了一种新型的无输出脉冲变压器的高压脉冲电源。基于模块化思想，通过增减模块可以改变系统最大输出峰峰值电压，开发的脉冲电源由４个模块串联而成，电源输出峰峰值电压叫ｋＶ，频率１—２０ｋＨｚ，占空比５０％，空载时上升沿小于ｌＯＯｎｓ，加最大负载时上升沿小于２００ｎｓ，完全满足对绝缘材料的检测要求。关键词：高压脉冲电源；模块化；绝缘中图分类号：ＴＭ８６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１０）０５－００７３－０２ＭｏｄｕｌａｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｆｏｒＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＡｇｉｎｇＴｅｓｔＷＥＮＺｈｉ．ｋａｉ，ＧＵ０Ｙｕ．ｈｕａ。ＨＥＬｉ—ｍｅｉ。ＷＡＮＧＷｅｉ．ｄｏｎｇ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭａｇｎｅｔＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＭｏｇＺｅｖＶｅｈｗ拓ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｓｄｕ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）ｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｔｈｅｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇ．ＴｈｉｓＡｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｌＩｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒ８０ｕｒｃｅｉｓｉｓｂａｓｅｄｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｃｈａｎｇｅｔｈｅｐｅａｋ—ｐｅａｋｖａｌｕｅｏｆｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｅｒｉｅｓｍｏｄｕｌｅｓ．Ａｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｉｓｍａｄｅｕｐｏｆｆｏｕｒｓｅｒｉｅｓｍｏｄｕｌｅｓ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｉｓｉｎｇｔｉｍｅｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓｐｅｒｆｅｃｔ，ａｎｄｔｈｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｍｅｅｔｔｅｓｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇＩｌｌｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒ；ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ引言直流电源板；直流电源板给各逆变模块供电，并将控制板传来的逆变驱动信号经处理后送入逆变模块：４个参数一样的逆变模块通过串联获得输出峰峰值为４ｋＶ占空比５０％的脉冲方波。研究绝缘材料电老化过程及失效机理【１－２ｔ。检测部门测试绝缘材料使用寿命时，均通过加在绝缘材料上高压脉冲电源的电压和频率来估算绝缘材料的正常使用寿命．所用电源输出波形是占空比为５０％的方波，方波上升沿要求足够陡峭。目前用于绝缘老化试验的高压脉冲电源一般采用高速高压开关元件．但受元器件电压等级。一般输出电压峰峰值小于３ｋＶ。文中提出一种新型高压脉冲电源设计方案。可不采用脉冲变压器．同时解决电压值受限和输出脉冲波上升沿陡峭两个核心问题。２３逆变模块部分图２示出逆变模块主电路。直流电源板产生高频电源脉冲波，经变压器耦合后，由二极管对交流脉冲波整流供逆变使用。所有逆变模块输出的交流方波均经过隔离，且可以采用多个模块串联以获得高电压。电源方案脉冲电源主要由人机交互、控制板、直流电源高频电源’］脉冲波。．＿ｊ板、逆变模块组成。总体结构如图１所示。人机交Ｈ图２逆变模块主电路州概鞘逆变桥使用耐压６００Ｖ。导通时电压上升率为１０Ｖ／ｎｓ的的ＩＸＴＱ２２Ｎ６０Ｐ型功率ＭＯＳＦＥＴ．单个逆变模块可输出峰峰值ｌｋＶ交流方波。上升沿时间小于５０ｎｓ。逆变器输出要增加一个阻尼电阻来控制．．皇攀．堡一卜１甄孺丽—————一图ｌ脉冲电源结构框图输出方波上升沿袁降低或消除系统输出振荡。系统负载为绝缘材料，可等效为一个电容．当系统输出方波加在负载上，可等效为二阶电路。由于等效电感值较小，对计算阻尼电阻尺影响不大，系统简化为ＲＣ电路，充电时间常数为尺ｃ闭．设计时上升沿时间取３ＲＣ，电源设计最大负载为６００ｐＦ，要求上升沿小于３００ｎｓ，可根据３ＲＣ＜３００ｎｓ计算出Ｒ＜５００ｌ－Ｉ。在电感量很小的情况下．上升沿时间可近似为３ＲＣ。该计算结果可用作设计Ｒ的参考。在保证系统７３在人机交互界面，可输入系统工作电压及频率，并由液晶屏看到输出电压及累加工作时间：控制板负责发送逆变器的驱动脉冲及进行保护动作，读取输入的工作状态信息并转换成给定和驱动信号送入定稿日期：２００９—１１—２５作者简介：温志开（１９８５一），男，广东江门人，硕士研究生，研究方向为逆变电源技术。万方数据第４４卷第５期２０１０年５月电力电子技术ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶ０１．４４．Ｎｏ．５Ｍａｙ，２０１０上升沿符合要求的条件下．可以调整阻尼。改善系统的超调量。该系统每个逆变模块上串入两个１８Ｑ的水泥电阻，散热功率为３０Ｗ。４直流电源部分直流电源控制板主电路如图３所示。由图２和图３可见，电源变换过程为ＡＣ／ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ。直流电源控制板接入２２０Ｖ．５０Ｈｚ交流电．经二极管整流后通过ＶＱ。，ＶＱ：组成的半桥逆变电路【４ｌ，将直流信号变为高频脉冲信号传到逆变模块中由二极管进行整流．再经大电容稳压滤波获得供给逆变桥的直流电压．最后通过逆变桥输出占空比为５０％的方波。２２０Ｖ／５０Ｈｚ＿卒卡＝，｝ＶＱｌＪ牡’本本＝｝Ｖ叫晤嘧图３直流电源板主电路逆变模块的参数均一致，故ＤＣ／ＤＣ环路直流反馈信号可选择其中任意一个逆变模块的直流电压，通过ＵＣ３５２５芯片进行控制。获得与给定一致的直流电压。推挽电路的开关频率设定为７０ｋＨｚ，电源变压器变比设计为１：４。直流电压值在０—５００Ｖ之间任意可调．实际输出直流电压值由用户设定脉冲电源输出峰峰值玑决定，系统由４个模块串联，所以单模块直流电压值为玑／８。控制板根据用户输入的使用电压值调整输入直流电源板的给定值。５功率计算直流电源设计须考虑电源功率。系统散热也要考虑系统消耗功率。根据系统的等效模型，设峰峰值电压为玩，且设由一阢／２变为以／２的时间为零，计算一个周期系统消耗功率。由电路知识有：ｉ＝玑ｅ训Ｒ９侬。电容不消耗功率。所以电阻消耗的功率为：．－，…．．肚可ｒ钏『警ｅ训船’１Ｒ山：《Ｃｉｌｌ—ｅ一“呦】（１）式中，为电源输出方波频率。由于ＲＣｆ．《：Ｉ．故系统消耗的有功功率ｅ＝－Ｕ０２ＣｆｏＲ上功耗和频率电压与负载有关．和阻值无关，选取Ｒ时要考虑电阻发热问题。设计系统电源为３００Ｗ，满足系统要求且留有裕景。６同步驱动及电源隔离因为系统是由４个逆变模块串联获得高电压输出．所以对驱动信号的同步有严格要求，否则得到输出方波的上升时间无法保证。同步信号处理使用一个脉冲变压器把控制板的１５Ｖ电平驱动信号在每一块板进行隔离并保证同步．耦合后经过波形整形分成两个反相的信号ＩＲ２１０４驱动芯片，获得驱动逆变桥４个开关管的的驱动信号．如图４所示。芯片供电电源存在隔离问题．每个模块的１５Ｖ电源都是隔离的。通过ＳＧ３５２５产生一个最大占空万方数据７４比的脉冲．两个反相的脉冲加在一个小变压器上次级耦合获得一个±１５Ｖ的方波脉冲；再经过二极管整流则可获得一组隔离的１５Ｖ电源。ＧｌＧ２霰葬３Ｇ３Ｇ４图４驱动脉冲处理电路图７实验结果根据提出的电源方案．开发了一台能长时间稳定工作的绝缘监测脉冲电源，输出波形如图５所示。示波器为ＴＤＳ２１０型．探头型号为ＴｅｋＰ５１００．衰减１００倍．测量范围为±２．５ｋＶ。加载了Ｃ＝６００ｐＦ的电机线圈绝缘材料负载．输出电压峰峰值为３ｋＶ。堙蝮＞＞ｏｏｏｏ２２专ｊｔ／（２５ｔａｓ／格）ｔ／（５００ｎｓ／惜）（ａ）２０ｋＨｚ波形（ｂ）｝：刀沿波形图５实验波形由此可见提出的脉冲电源设计方法有效可行，得到了较好的实验结果Ｊ方波上升时间小于２００ｎｓ，出现一些超调是二阶系统的固有特性，可通过增加阻尼电阻来抑制超调量，但波形上升时间会增大，可以根据３ＲＣ＜３００ａｓ来估算增加电阻后造成的波形上升时间．设计者或者用户可以通过串入电阻自行调整输出波形的参数。８结论用低压模块串联获得高压输出，无需输出脉冲变压器．通过实验证明此方案有效可行，输出方波上升沿陡峭．峰峰值和方波频率都可以任意调整，方波上升时间可以通过改变阻尼电阻灵活变化，完全满足绝缘检测使用要求。通过一些细节的改进完善，目前己研制出峰峰值达７ｋＶ的脉冲电源。参考文献【ｌ】ＷｅｉｊｕｎＹｉｎ，ＫｅｉｔｈＢｕｈｅｍｅｉｅｒ，ＤｏｎＢａｎａ，ｅｔａ１．ＣｒｉｔｉｃａｌＦａｃ－ｔｏｔｓｆｏｒＥａｒｌｙＦａｉｌｕｒｅｏｆＭａｇｎｅｔＷｉｒｅｓｉｎＩｎｖｅｒｔｅｒＦｅｄＭｏｔｏＩ［Ａ１．ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＥｌｅｅｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎａｎｄＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＰｈｅｎｏｍｅ－ｎａ【ｑ．ＶｉｒｇｉｎｉａＢｅａｃｈ，ＶＡ，ＵＳＡ，１９９５：２５８－２６１．［２１ＨｕｄｏｎＣ，ＡｍｙｏｔＮ，ＪｅａｎＤ。ＬｏｎｇＴｅｒｍＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＣｏｒｏｎａＲｅｓｉｓｔａｎｔＩｎｓｕｌａｔｉｏｎＣｏｍｐａｒｅｄｔｏＳｔａｎｄａｒｄＩｎｓｕｌａｔｉｏｎｏｆＭａｇｎｅｔＷｉｒｅ［Ａ］．ＣｏｎｆｅｒｅｎｅｅＲｅｃｏｒｄｏｆｔｈｅ２０００ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｓｕｌａｔｉｏｎ［Ｃ］．Ａｎａｈｅｉｍ，ＣＡ，ＵＳＡ，２０００：１３—１６．【３】谭永霞．电路分析［Ｍ】．成都：西南交通大学出版社，２００３．［４】ＡｂｒａｈａｍＩ．Ｐｒｅｓｓｍａｎ．开关电源设计【Ｍ】．王志强，译．北京：电子工业出版社．２００５．模块化绝缘老化试验高压脉冲电源的研制
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
温志开， 郭育华， 何丽梅， 王伟栋， WEN Zhi-kai， GUO Yu-hua， HE li-mei， WANGWei-dong
磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室,四川,成都,610031电力电子技术
POWER ELECTRONICS2010，44(5)0次
1.Weijun Yin.Keith Buhemeier.Don Barta Critical Factots for Early Failure of Magnet Wins in InverterFed MotoI 1995
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1.期刊论文 戚栋.王宁会.QI Dong.WANG Ning-hui 一种级联型结构的固体开关式高压脉冲电源的研制 -电子器件2006,29(4)
针对串级型结构的固体开关式脉冲电源存在的电源可靠性受同步驱动、均压等技术条件影响严重的问题,设计了一种由多个相对的低压固体开关式脉冲电源叠加构成的级联型高压脉冲电源.各低压脉冲电源输出端的固体开关均单独采用光纤光电耦合器和专用驱动模块控制,各光纤光电耦合器的输入端由同一PWM脉冲控制.电源的输出指标为:脉冲电压幅值100～3 000 V,脉冲频率5～40 kHz,脉冲占空比5%～40%,脉冲电流幅值25 A,额定功率50 kW.研制的电源可靠性高,可实现模块化,可通过增减模块单元的数量,满足不同输出电压的需要.
2.期刊论文 巩春志.田修波.曹珍恩.朱宗涛.杨士勤.GONG Chun-zhi.TIAN Xiu-bo.CAO Zhen-en.ZHU Zong-tao.YANG Shi-qin 10 kV等离子体表面改性高压脉冲电源 -强激光与粒子束2007,19(11)
研制的10 kV高压脉冲电源采用脉冲单元叠加技术,将12组相互的各脉冲单元模块串联起来,采用同步驱动技术,实现了10 kV的高压脉冲输出.可通过增减脉冲单元的数量,满足不同输出电压的需要,实现了模块化设计.该电源的性能指标为:脉冲电压幅值0.1～10.0 kV,脉冲频率0.2～2.0 kHz,脉冲占空比5%～30% ,脉冲电流幅值20 A,脉冲功率200 kW.试验结果表明:在等离子体负载条件下电源运行稳定、可靠.
3.学位论文 谷金阳 基于单片机的低频高压脉冲电源的研究 2008
随着现代生产技术的不断进步，各种用电设备日趋精密化，复杂化和小型化。为了保证其安全运行，这就对各用电设备的电源提出了更高的要求。目前普遍采用开关电源作为电源主流解决方案，而脉冲电源作为一种特殊的电源，正逐步在更加广阔的领域得到应用。例如在很多场合，需要脉冲电源的脉冲宽度、幅度以及频率能够调节。以往低频高压脉冲电源的制作主要采用脉冲变压器升压法或者利用高反向耐压开关管进行直流斩波的方法，但由于变压器体积较大和高压开关管耐压值受到不易制造，故难以达到工业生产要求。
本论文的高压脉冲电源采用单片机控制高频PWM调制芯片SG3525工作时间的方法，改变逆变电路工作状态，最终使系统输出脉冲波形。其输出脉冲电压幅度连续可调，脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整。本论文还采取了有效的电源输出保护策略，当系统过流时，立即进行保护动作，且不会因为实现保护功能而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害，安全性高，是一种稳定可靠的可调高压脉冲电源。
本论文首先阐述了课题的研究背景，对各种脉冲发生方法进行了比较。然后介绍了系统整体框图及其工作流程。并按模块化的设计思想分别对系统的硬件电路和软件设计进行了分析。硬件电路包括：单相交流调压模块DTY-220D40E的使用，主电路拓扑结构分析，辅助电源电路，脉冲形成电路，稳压调压电路，半桥逆变电路的驱动电路，系统输出端的双向4倍压整流电路，过流保护电路，高频高压变压器的设计，键盘输入模块的设计，液晶接口电路，输出信号采集电路与A/D转换电路。软件编程部分的主要算法有：控制芯片负责的键盘处理程序，脉冲产生算法；检测芯片负责的脉冲检测算法，频率检测算法以及两芯片都要用到的液晶显示程序。同时，给出了各程序模块的设计思想和流程图。最后根据软硬件设计结合搭建实验电路，得出了较理想的系统输出脉冲波形，证明了其可行性。
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下载时间：2010年9月18日
