絕緣電阻測試儀的高壓電源設計

絕緣電阻測試儀的前身是兆歐表，它是一種專門用來測量變壓器、電動機、電纜等電氣設備絕緣電阻的專用儀表。通過絕緣電阻的測量可以判斷內部絕緣材料是否受潮，或外絕緣表面是否有缺陷。這種絕緣電阻的測量原理就是在絕緣系統上加直流高壓，來測量產生的泄漏電流，從而計算出絕緣電阻值。本文用產生固定頻率的方波，而后經變壓器升壓，再倍壓整流成高壓直流，最后經過帶過流保護的高壓穩壓器穩壓后，將這兩路電源串聯起來實現2500 V的高壓穩壓源設計，從而降低了變壓器的制作難度。

1絕緣電阻測試系統硬件結構

絕緣電阻測試系統主要由高壓電源、AD變換電路、微處理器電路、顯示器電路等組成。圖l所示是系統的結構框圖。文中主要講述高壓電源部分的設計。



2直流高壓產生電路設計

2.1開關電源工作原理

系統開關電源的供電電壓為12 V，采用推挽電路，其開關管的柵極在激勵方波信號控制下交替導通與截止，12 V直流電壓變換成高頻方波后，交替加在升壓變壓器的兩個原邊，相當于一個半峰值12 V的交變方波加在變壓器的原邊上，之后在次邊按匝數比變換為高壓方波。

2.2高壓產生電路設計

本系統的高壓產生電路如圖2所示。各芯片電源電壓統一為12 V。系統采用CD4060和石英晶體來產生3.6864 MHz的方波，再經過32分頻后將115.2 kHz信號輸入到CD4013的D觸發器。然后通過兩分頻產生相位相差180°的57.6 kHz信號，來確保驅動波形的對稱性，且不會有直流分量。最后再輸出給并聯連接的CD4049。由于場效應管的柵源電容一般較大，因此需要大的驅動電流減小充放電時間來提高驅動場效應管柵極能力。CD4060和CD4049的輸出端波形如圖3所示。


系統設計中需要產生2500 V的直流高壓，而通常的場效應管最大耐壓在1500 V，因此本設計先產生1400 V的電壓，再經高壓穩壓器穩壓后得到穩定的1250 V電壓，最后將兩組電路串聯，就得到所需的2500 V直流高壓。因此采用這種倍壓整流的方法，變壓器副邊只需輸出700 V，可降低變壓器副邊的繞制難度。

在倍壓整流電路中，由于輸出電壓很大，因此要使用耐壓高的瓷片電容和快恢復二極管，本系統選用103 M／3000 V的高壓瓷片電容。

2.3變壓器的設計

(1)變壓器線圈的纏繞方法

由于電路采用的是推挽方式升壓電路，因此變壓器原邊應帶有中間抽頭，又由于原邊電壓
低，這里采用雙線并繞的方法，將同名端和非同名端串接來引出中心抽頭，這樣有助于原邊兩個繞組的平衡和減小漏感。設計中將采用次邊繞在骨架各個分格中的方法來增加爬電距離。

(2)變壓器的參數選擇

①變壓器變比的確定

由于方波輸出，占空比為0.5，開關頻率是57.6 kHz，因此在輸入電壓為12 V時，應保證輸出電壓達到700 V，因此變比n可由正式得出：



可得變壓器比n=N2／N1=58.3，考慮到實際電路會有功率管和整流二極管的管壓降，可以選取變比n=60。

②磁芯的選取

根據公式：


j——電流密度，一般情況下，選取300～500A／cm2；

Kc——磁芯的填充系數，對于鐵氧體Kc=1；

Ku——銅的填充系數，Ku與導線線徑、繞制的工藝及繞組數量等有關，一般為0.1～0.5左右。

上式中各個參數的單位是：P0→W，Ae→cm2，Aw→cm2，Bm→Gs，j→A／cm2。取P0=15 W，η=90％，選用MXO-2000鐵氧體材料，其飽和磁通密度Bs=4000 Gs，使用時為防止出現磁飽和，可取磁通密度Bm=2500 Gs，其有效磁芯截面積Ae為0.224 cm2，窗口面積Aw為0.5315 cm2，Kc=1，Ku=0.3，j=300 A／cm2。

由公式(2)計算得：



對照EE19磁芯的AeAw=0.119 cm4，因此設計中選擇EE19磁芯。

③匝數的設計

因此設計中可取原邊單繞組為10匝，根據變比要求，取副邊單繞組匝數為600匝。即變壓器的繞組匝數為：10：10：600。

④繞組的設計

由于導線中流過交變電流時會產生集膚效應，從而使導線有效截面積減少，電阻增大。因此當開關頻率為57.6 kHz時，穿透深度△可由下式計算出：



由此可得出△為0.2755 m，導線線徑應小于穿透深度的兩倍。

由于漏感和分布電容的存在，在兩個VMOS導通狀態切換后會產生振蕩，從而導致變壓器空載時輸出電壓很高，設計中可在變壓器副邊并聯一個電阻阻尼以減小空載時的輸出電壓，同時適當減少匝數比。

3穩壓電路設計

為了得到穩定的高壓，系統設計了帶有過流保護的穩壓電路。先將輸出電壓采樣反饋到運放的正輸入端，再與負輸入端的基準電壓比較后來控制后級電路的狀態。從而達到系統自動調節電壓的目的。系統電連接圖如圖4所示。



運放在設計中采用單電源工作方式，用作差分放大器，可將部分輸出電壓和精確的+5 V參考電壓進行比較。而+5 V基準電壓源可采用LP2951，它具有低的靜態電流和低的壓差電壓，因此在壓差條件下靜態電流僅有微小的增加，可以延長使用壽命。另外，5 V基準電壓也可作為后續測量電路的工作電源，可實現電源的統一。

系統中如果輸出電壓HV是1250 V，后經R6和R7分壓為5 V，這樣運放的同相輸入端電壓與LP2951的輸出電壓相同，電阻R1上也就沒有電流流過，因此運放構成的比例積分器輸出電壓維持不變，電路處于穩定的狀態。

但如果由于某種原因導致輸出電壓HV低于1250 V，那么分壓后運放的同相輸入端電壓就低于LP2951的輸出電壓，于是R1上流過的電流經積分器積分使其輸出電壓(Q3的柵極電壓)變低，漏極電壓(Q4的柵極電壓)變高，從而導致Q4的源極電壓(穩壓器的輸出電壓)變高，直至輸出電壓達到1250 V，積分器不再積分，電路才恢復穩定狀態。

如果由于某種原因導致輸出電壓HV高于1250 V，原理類似，最后電路還會恢復穩定狀態。

設計中D5和Q5在電路中起保護作用。當Q3快速下拉其漏極電流時，為防止Q4的柵極電壓低于源極電壓太多而損壞管子，可使用二極管D5將此電壓限制在-0.7 V。三極管Q5在系統正常工作時不啟動，當電流過大時，電阻R5上的壓降大于開啟電壓，三極管導通，從而減小Q4的柵源電壓，也就減小了輸出電壓，因此限制輸出電流的增加可起到過流保護作用。

電路中，B4并聯一個電容C14，用以減小對高頻信號的阻抗，相當于微分，這樣信號上升速度加快，可以提高響應速度；R8串聯電容C17，用于濾波，以提高輸出電壓的穩定性。Q3、Q4選擇的是2SK1412場效應管，耐壓1500 V，電流0.1 A，功率20 W，可以滿足系統要求。

系統中使用了比例積分環節，由于單純比例調節存在靜態誤差，一旦被調節量偏差不存在，輸出也就為零，即調節作用是以偏差的存在作為前提條件，而且比例環節慣性也較大。而且單純的積分調節過于延緩，在改善靜態誤差準確度的同時，往往使系統的動態品質變壞，過渡過程時間延長，甚至造成系統不穩定。因此系統采用了比例積分調節，從而克服了單純比例環節有調節誤差的缺點，又避免了積分環節反應慢的弱點，同時改善了系統的穩定性和動態性能。

4結束語

本文設計的高壓產生電路，結構簡單、易于調節，穩壓電路采用了負反饋，具有自動調節電壓的功能，同時帶有過電流保護功能，因此可作為絕緣電阻測試儀的高壓電源。