關(guān)于低壓程控電源中心議題

• 測(cè)量電路對(duì)電源的要求
• 驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口

關(guān)于低壓程控電源解決方案

• 三端穩(wěn)壓器件7824作驅(qū)動(dòng)電路電源
• 過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
• 過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在某些自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，為了滿足特殊的測(cè)試條件或測(cè)量過程，常要求在測(cè)量過程中能控制電源倒換極性或者使電源接入或脫離測(cè)量系統(tǒng)，即能夠根據(jù)測(cè)量的需要來隨時(shí)控制電源的狀態(tài)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型器件的開關(guān)速度、容量及可靠性有了很大的提高，使得利用全控型器件實(shí)現(xiàn)在程序上可控的電源變得十分容易。本文結(jié)合一種測(cè)量過程的實(shí)例，給出了一種低壓可控電源的設(shè)計(jì)。

在應(yīng)用直流疊加法檢測(cè)XLPE電纜絕緣電阻的方法中[1]，為了抵消測(cè)量中干擾的影響，要求在測(cè)試過程中能變換電源的極性，而且在某段過程中，要求能完全切斷電源。我們利用電力電子器件，實(shí)現(xiàn)了一種在測(cè)量過程中可控的低壓電源，為實(shí)現(xiàn)測(cè)量的全面自動(dòng)化鋪平了道路。

1    測(cè)量電路對(duì)電源的要求

直流疊加法檢測(cè)電纜絕緣的實(shí)驗(yàn)室主接線圖如圖1所示。

圖1    測(cè)量主接線圖

在圖1中，電纜用一個(gè)電阻與一個(gè)電容的并聯(lián)電路來建立模型，1MΩ的電阻為保護(hù)水電阻，變壓器將220V的電壓升到110kV后，加到電纜上。在測(cè)量試驗(yàn)中，主要的要求是將一個(gè)50V的直流電壓疊加到電纜上，以測(cè)量出電纜的絕緣電阻R，為了減小測(cè)量誤差，需要倒換電源極性，進(jìn)行正反向兩次測(cè)量。此外，在現(xiàn)場(chǎng)由于變壓器中性點(diǎn)常通過一小電阻接地，此電阻的阻值僅為幾Ω到十幾Ω，為了能將直流電源疊加到電纜上，直流電源必須能提供足夠大的電流。在應(yīng)用直流疊加法

檢測(cè)電纜絕緣中，通常需要的直流電壓為50V，這樣，設(shè)定中性點(diǎn)的接地電阻最小值為5Ω，通過歐姆定律我們可以得出，直流電源至少要能夠提供10A的電流；此外，考慮到在測(cè)量過程中需要的開關(guān)速度，就可以選擇合適的電力電子器件了。經(jīng)過對(duì)常用全控型電力電子器件的考察，我們決定采用MOSFET來作為開關(guān)器件，選用IR公司的IRFP460。IRFP460是IR公司生產(chǎn)的高速器件，它的安全工作區(qū)如圖2所示，在圖2中我們可以看出，在50V的情況下，10A是它可以安全關(guān)斷的電流[3]。

圖2    IRFP460的安全工作區(qū)

2    主電路設(shè)計(jì)

由于在測(cè)量過程中不僅要求能倒換電源的極性，而且要求能將電源完全脫離測(cè)量系統(tǒng)，因此，在設(shè)計(jì)中利用一全橋電路來實(shí)現(xiàn)電源的極性控制及全關(guān)斷[2]。主電路如圖3所示。

圖3    電源主電路

從圖3可以看出，主電路實(shí)際上是一個(gè)整流電路及一個(gè)全橋逆變電路的組合，電源極性的倒換是通過逆變器實(shí)現(xiàn)的。這樣，就能輕松地實(shí)現(xiàn)程控電源。[page]

3    驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，我們沒有采用常用的DC/DC模塊作驅(qū)動(dòng)電路電源，而是采用簡單而便宜的三端穩(wěn)壓器件7824作驅(qū)動(dòng)電路電源。通過實(shí)驗(yàn)說明，它在可靠性下降不大的情況下使成本下降了3/4。一路驅(qū)動(dòng)電源電路圖如圖4所示。

圖4    單路驅(qū)動(dòng)電路電源

在圖4中，我們模仿驅(qū)動(dòng)集成電路EXB841的內(nèi)部電路，利用電阻R1及穩(wěn)壓管D2來制造一個(gè)參考地，使得相對(duì)于參考地來說，輸出電壓分別為＋15V及－9V，參照IRFP460的器件手冊(cè)，這兩種電壓已經(jīng)能夠可靠地觸發(fā)及關(guān)斷MOSFET。驅(qū)動(dòng)控制電路采用TLP250作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制電路[4]。TLP250的邏輯表及內(nèi)部電路分別如表1及圖5所示。

表1    TLP250邏輯表 InputLED V1 V2

圖5    TLP250內(nèi)部電路圖

從表1及圖5可以看出，在提供了驅(qū)動(dòng)電源后，利用TLP250就可以很容易地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與主電路的接口，當(dāng)光耦導(dǎo)通時(shí)，V1導(dǎo)通，VCC近似等于Vo，此時(shí)輸出到MOSFET上的柵漏電壓近似為15V；當(dāng)光耦截止時(shí)，V2導(dǎo)通，Vo近似等于GND，此時(shí)輸出到MOSFET上的柵漏電壓近似為－9V。

4    驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口

由于在本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)作為測(cè)量系統(tǒng)的核心，因此，控制電路的核心也采用單片機(jī)，為了節(jié)約單片機(jī)的IO口，采用一片74LS175作為控制信號(hào)的鎖存器。驅(qū)動(dòng)電路與控制電路的接口電路如圖6所示。

在圖6中，AD0—AD3為低四位數(shù)據(jù)總線，CLK2為譯碼器與單片機(jī)讀寫信號(hào)配合給出的觸發(fā)信號(hào)。在測(cè)量過程中，當(dāng)需要改變電源的狀態(tài)時(shí)，直接將數(shù)據(jù)寫入到74LS175中并鎖存，就可以據(jù)此控制各個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷。在此需要注意的是，在調(diào)試過程中一定不要給出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，造成橋臂直通，從而使得MOSFET永久損壞。

圖6    驅(qū)動(dòng)電路與控制電路接口電路

5    保護(hù)電路設(shè)計(jì)

5．1    過電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，由于電源容量僅為500W，因此，可以采用簡單的RC吸收電路。電路圖如圖7所示。

圖7    RC吸收電路

將圖7所示的電路并聯(lián)到MOSFET兩端即可有效限制沖擊過電壓。電容的參數(shù)可以通過實(shí)測(cè)來計(jì)算，也可以簡單地選取MOSFET極間電容的2倍，電阻的參數(shù)與開關(guān)頻率有關(guān)。

5．2    過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，由于電源容量不大，因此，考慮采用晶體管過電流保護(hù)電路，如圖8所示。

在圖8中，R1—R10為1Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，功率為2W，當(dāng)電流超過預(yù)定值時(shí)，在并聯(lián)電阻上的壓降超過0.7V，三極管導(dǎo)通，此時(shí)，MOSFET將因柵源極間承受反向電壓而截止，從而切斷主電路；當(dāng)電流值正常時(shí)，MOSFET正常導(dǎo)通，不會(huì)影響電路的正常工作。這種電路的缺點(diǎn)在于，如果電路中出現(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的過電流時(shí)，MOSFET將會(huì)不斷地動(dòng)作。為此，在圖3中還加入了其他保護(hù)元器件。

圖8    過電流保護(hù)電路

從圖3可以看出，為了防止主電路整流側(cè)過流損壞，在變壓器副邊設(shè)置了空氣開關(guān)。在此需要說明的是，此開關(guān)不能設(shè)置在變壓器原邊，以避免因勵(lì)磁涌流而誤動(dòng)作。在逆變部分還加入了小電感，以防止電流變化造成的損壞，串入快速熔斷器作為晶體管過電流保護(hù)的后備保護(hù)。

MOSFET管柵源極間的保護(hù)電路在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)給出，在此不再多述[3]。

6    結(jié)語

將MOSFET應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，采用單片機(jī)作為測(cè)量系統(tǒng)的核心，成功解決了自動(dòng)測(cè)量過程中需要控制電源狀態(tài)的問題。利用此電路不僅可以自動(dòng)倒換電源極性及實(shí)現(xiàn)電源的程控關(guān)斷，而且，在MOSFET開關(guān)頻率允許的前提下，還可以利用此電路編程實(shí)現(xiàn)任意的SPWM波形。

此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，可控性高，且成本較低，在測(cè)量試驗(yàn)中取得了滿意的效果，體現(xiàn)了程序控制的優(yōu)勢(shì)。