1 引言
　　當(dāng)直流電壓作用于絕緣物上時，所產(chǎn)生的電流是由充電電流、吸收電流和泄漏電流三部分組成的，其中充電電流及吸收電流隨時間而由大變小，只有泄漏電流與時間無關(guān)。
　　絕緣電阻測試就是通過儀表測量電氣設(shè)備的泄漏電流值，通常儀表將這一電流值顯示為絕緣電阻值(MΩ)。為了減小測試初始充電電流的影響，一般取加壓1min后的絕緣電阻值為測量值R60;如果同時讀出加壓15s時的數(shù)值R15，則可求出吸收比K=R60/R15，吸收比對反映大型電力變壓器局部缺陷較為靈敏，如變壓器油內(nèi)含有水分，套管及線圈局部弱點(diǎn)或臟污等。
　　絕緣電阻和吸收比均是判斷絕緣物是否受潮的靈敏指標(biāo)。
　　絕緣電阻試驗使用的儀器主要是兆歐表，俗稱搖表。傳統(tǒng)兆歐表通過手搖發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電壓有500V，1000V，2500V等幾種，絕緣電阻的測量范圍也因兆歐表型號而異，試驗時應(yīng)根據(jù)需要選用不同型號或者不同電壓等級的兆歐表。在使用手搖式兆歐表時，使用者還應(yīng)盡量保持手搖速度在額定轉(zhuǎn)速120r/min左右，因此，使用時多有不便。
　　本文提到的便攜式絕緣電阻測試儀用12V蓄電池供電，經(jīng)單端反激式開關(guān)電源可產(chǎn)生穩(wěn)定的500V，1000V，1500V，2000V和2500V系列電壓，另由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測量采樣，數(shù)據(jù)處理和顯示控制。具有體積小，重量輕，響應(yīng)快等特點(diǎn)。下面主要介紹其電源部分的電路原理和制作方法。
　　2 電源電路的組成和工作原理
　　圖1所示為數(shù)字絕緣電阻測試儀用高壓直流電源的電路原理。電源為12V蓄電池，要求在10V以上時仍能保證系統(tǒng)正常工作，開關(guān)器件選用了TWH8751型開關(guān)集成電路。針對電路輸出功率小，輸出電壓高，體積小等特點(diǎn)，采用了單端反激式的變換器拓?fù)?，高頻開關(guān)變壓器的次級繞組有對應(yīng)直流500V，1000V，1500V，2000V和2500V的5組抽頭，可由用戶根據(jù)需要選擇聯(lián)動多投旋鈕開關(guān)的檔位，以對次級繞組抽頭和相對應(yīng)的輸出電壓采樣電阻進(jìn)行同時切換。根據(jù)對輸出電壓和電流的采樣，控制電路將及時改變開關(guān)器件的導(dǎo)通寬度，從而穩(wěn)定地輸出期望電壓，并提供了過壓過流保護(hù)。
　　

　　圖1 絕緣電阻特性測試儀用高壓直流電源原理圖
　　2.1 TWH8751開關(guān)集成電路
　　TWH8751功率開關(guān)集成電路采用TOP-220封裝形式，內(nèi)電路由輸入級，緩沖放大器和達(dá)林頓功率輸出級組成，并設(shè)有反饋環(huán)路和減流型輸出保護(hù)電路，通用性強(qiáng)。共有5個引出腳，如圖1中相應(yīng)部分的標(biāo)識所示，管腳功能分別為：輸入端(IN)，選通端(ST)，地端(GND)，輸出端(OUT)和電源正端(VCC)。當(dāng)腳2選通端電平≥1.6V時，腳1輸入端對輸出端(腳4)無控制作用，即末級達(dá)林頓管截止，電路無輸出;只有腳2為低電平(<1.2V)時，加在腳1上的信號才能有效地控制腳4輸出端的電平。
　　TWH8751的輸入端和選通端所需輸入控制電流很小，僅100～200μA,而輸出端允許通過的最大電流為2A。內(nèi)部另設(shè)有減流型保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流超過3A時，保護(hù)電路能自動使輸出電流減至1A左右，在使輸出截止后，集成開關(guān)電路將重新恢復(fù)至2A的輸出負(fù)載能力。
　　本例中，將腳2接地，使得腳4的輸出受腳1直接控制。腳5和電源之間的電阻R6起限流作用，是必須使用的，約50Ω左右。TL494的開關(guān)控制信號也經(jīng)過了限流電阻R7，起到減小芯片工作功率，以利于散熱的作用。
　　由于系統(tǒng)本身功率較小，只要求開關(guān)器件能夠承受兩倍于電源電壓的反向電壓，因此，開關(guān)管的選擇范圍很大，也可以選用MOS管或IGBT，但由于它們柵漏極間都存在較大結(jié)電容，對開關(guān)速度造成了較大影響，而且還需要保持較高的驅(qū)動電壓，并必須考慮柵漏極間的靜電保護(hù)。實(shí)驗對比也表明TWH8751在本系統(tǒng)條件下具有良好的開關(guān)特性和寬闊的輸入電壓適應(yīng)范圍，電路也相當(dāng)簡潔。因此，選用TWH8751開關(guān)集成電路是適宜的。
　　2.2 脈寬調(diào)制控制電路部分
　　TL494是一成熟的定頻脈沖寬度調(diào)制集成電路，芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其具體功能不再贅述。結(jié)合圖1對本系統(tǒng)中相應(yīng)部分做一簡單介紹。
　　系統(tǒng)脈沖頻率可由C1和R1根據(jù)式(1)近似確定，
　　

　　合理搭配計時電阻和電容的值可提高基準(zhǔn)電壓的精度和系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。本例中C1取0.01μF，fosc調(diào)整為30kHz左右。芯片腳13輸出控制端接地，使其內(nèi)部兩個輸出晶體管以同步方式雙端輸出，保證了輸出電流。若開關(guān)管選用IGBT，則驅(qū)動信號無需放大而由其直接驅(qū)動;腳4的死區(qū)控制電壓則用于限制開關(guān)器件的最大導(dǎo)通時間，當(dāng)ton=T/2時，開關(guān)管端電壓最大為2倍電源電壓，當(dāng)導(dǎo)通時間增大時，就需要選用更高耐壓的開關(guān)管了。
　　圖1中R19為一精密小電阻，用于采樣負(fù)載電流，與TL494片內(nèi)誤差放大器之一組成一個比較器，進(jìn)行輸出過流保護(hù)。R9，R10和C4則構(gòu)成一個模擬PI調(diào)節(jié)器，用于輸出電壓負(fù)反饋的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，R11為PI調(diào)節(jié)器的平衡電阻。R13～R17上的反饋電壓期望值應(yīng)為5V，據(jù)此可計算出R13～R17的電阻值，例如在圖1所標(biāo)示的選擇開關(guān)模式下，就應(yīng)滿足
　　R14/(R14+R18)=5V/1000V (2)
　　其中，R18應(yīng)該選擇的足夠大，以減小其對負(fù)載的分流，從而提高整個系統(tǒng)的效率。
　　電路中穩(wěn)壓管D2用于對控制部分的過壓保護(hù)，以防止在開關(guān)切換時高電壓的串入。
　　2.3 變換器部分
　　變換器采用單端反激方式，因為該拓?fù)淇梢苑奖愕厣龎夯蚪祲海貏e適宜小功率場合。圖1中，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，蓄電池電壓便加到變壓器T1的初級繞組上，于是在次級繞組上感應(yīng)出下正上負(fù)的電壓來，整流二極管D1呈截止?fàn)顟B(tài)，電能只能以磁能的形式儲存在變壓器中;而當(dāng)開關(guān)管截止時，次級繞組電壓方向變?yōu)樯险仑?fù)，整流二極管D1導(dǎo)通，磁場儲能便通過二極管向負(fù)載釋放。在整個工作過程中，變壓器既起到升壓的作用，也起到儲能電感的作用。
　　電路參數(shù)應(yīng)保證電路工作在磁化電流連續(xù)模式下，即在開關(guān)管截止時間toff結(jié)束時，次邊電流仍大于零，理論上這意味著需要相對提高變壓器初級電感L1或增加開關(guān)管的導(dǎo)通時間ton，以利于增大儲能。另一方面為了保證變壓器的磁通復(fù)位，防止鐵心磁飽和造成開關(guān)管的損壞，又需要為開關(guān)管截止時間留有裕量。實(shí)際系統(tǒng)則需多方兼顧，優(yōu)化匹配各個參數(shù)，可利用式(3)做定性的參考，只要滿足　　
　　

　　系統(tǒng)就進(jìn)入磁化電流連續(xù)狀態(tài)，輸出電壓與負(fù)載大小無關(guān)。只要滿足
　　

　　那么就滿足伏秒平衡條件，磁通便能復(fù)位。
　　式中：N1為變壓器初級繞組匝數(shù);
　　N2為變壓器次級繞組匝數(shù);
　　L1為變壓器初級繞組的等效電感;
　　RL為輸出端等效負(fù)載的電阻;
　　Vo為輸出直流電壓;
　　Vi為變壓器輸入電壓，即蓄電池電壓。
　　對變壓器初級繞組電感L1的計算，應(yīng)按照輸出電壓最小值即500V設(shè)計，因為，此時對應(yīng)的電感量最大，確定初級繞組匝數(shù)后，再根據(jù)式(4)計算出次級相對應(yīng)的各繞組匝數(shù)。
　　根據(jù)實(shí)驗，本電源初級匝數(shù)N1為4匝，次級則是按照每200匝一個抽頭，合計N2為1000匝。鐵氧體磁芯選擇PQ2020型，磁芯材料與日本H7C4磁芯材料相當(dāng)。
　　3 工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　高壓電源中對于高壓部分的處理，低電位部分的布線，電路元器件的選擇和布置，控制板的布局等都必須有適當(dāng)?shù)慕^緣考慮，同時開關(guān)電源特有的噪聲問題等，使得高壓電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為一個非常棘手的問題，需要一定的制作經(jīng)驗。
　　電路中的核心部件高壓變壓器由于電壓高，匝數(shù)多，導(dǎo)線細(xì)，相鄰導(dǎo)線間隔很窄，線間及層間都有很大的寄生電容，使每個周期中經(jīng)此電容充放電的能量很大，但這些能量并沒有在次邊被完全消耗掉，而是在初級開關(guān)管產(chǎn)生了很大的損耗，并產(chǎn)生較大噪聲。因此，初級繞組應(yīng)采用蜂房式或分段式繞制方法，以減少寄生電容。而且最好將初級繞組繞在次級外層，以減小漏感，并便于調(diào)試。
　　為了防止高壓打火，在高電壓周圍的元器件切忌有尖角出現(xiàn)，并應(yīng)保持適當(dāng)?shù)目臻g距離，變壓器磁芯選用內(nèi)芯為圓柱形的鐵氧體磁芯，在空間允許的條件小，還應(yīng)盡可能加大層間絕緣紙的厚度，抽頭處經(jīng)由絕緣套管引出。制作好后的變壓器還應(yīng)多次浸漆并以硅橡膠灌封，以提高絕緣性能。
　　同時，凡經(jīng)受高di/dt，dv/dt的元器件(開關(guān)管，變壓器和快速恢復(fù)二極管D1)回路中的連線應(yīng)盡可能短，以減小電磁干擾源的有效區(qū)域和電路損耗。
　　最后整個電路板可以裝在一個屏蔽盒里，以降低對鄰近電子設(shè)備的干擾。
　　4 結(jié)語
　　通過仔細(xì)的設(shè)計與調(diào)試，此高壓電源實(shí)測輸出電壓最大誤差為2‰，啟動時間小于1s，完全能夠滿足應(yīng)用對象的需求，并具有體積小，重量輕，響應(yīng)快等特點(diǎn)。如進(jìn)一步提高輸出功率和系統(tǒng)效率，還可將高壓電源應(yīng)用于很多場合，如靜電復(fù)印機(jī)、靜電噴漆機(jī)、通信機(jī)等。

（轉(zhuǎn)載）