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摘要： 提出了一种新型的红外式的智能直流高压发生器。利用C8051单片机的强大功能，很方便地实现了高压发生器的智能化。同时在泄漏电流测量上提出了红外式泄漏电流测量方法，解决了隔离测量、读数问题。文中给出了详细的系统原理、关键硬件电路、系统软件的分析设计与实现方法。
关键词： 红外通信；高压发生器；单片机
0 引言
直流高压发生器广泛应用于高压电气设备的直流耐压和泄漏电流试验，如避雷器、电力电缆、变压器绕组及发电机的现场试验。此外还大量应用于医用器械、离子加速器等领域。早期的直流高压发生器使用的是简单的工频倍压整流技术，目前使用的是中频逆变技术，但是很多都未使用单片机控制，仪器功能简单，控制灵活性差。而且在需要精密测量试品泄漏电流时，需要使用外置的微安表，安装在倍压筒的高压输出端，距离比较远时，在读数和观察上很不方便。而在做绝缘试验的时候，泄漏电流是关键参数，测量上的不方便，直接导致了使用者的使用困难。
本文介绍的直流高压发生器，采用Cygnal 公司新一代系统级单片机C8051F015。该单片机功能强大，扩展性好。通过精心设计应用电路，使用脉宽调制调压技术中频逆变技术，仪器实现了数字化的电压调节输出，良好的人机设置操作，PWM调制控制，过流保护，通信打印功能等。特别是红外式的泄漏电流测量，大大改进了当前的测量方式，使用者不需要再用微安表，可在控制面板上直接读数。整机性能达到额定功率400 W,输出直流电压从零起调，最高200 kV，电流2 mA，脉动系数小于1％。
1 系统原理及框图
该机系统原理图如图1所示，工频电源电压220 V经过整流滤波后，变成300 V的直流电压，输入脉宽调制环节，通过单片机C8051F015的控制实现AC/DC变换，输出0～150 V直流可调电压信号，中频全桥逆变环节，采用IGBT，将直流电压逆变成80 kHz交流电压，通过中频变压器实现升压，电压达到15 kV左右，通过多级硅堆倍压整流电路，将电压信号转换成直流0～200 kV输出。高压输出端的泄漏电流是通过在输出端设置电流信号采样板，然后通过红外数据传输的方式将泄漏电流信号传送到主机，实现了精确的电流测量又解决了信号读取问题。在电压控制方式上，该设计采用了大回路电压反馈控制，由单片机来实现控制算法，由于C8051F015单片机片内资源丰富，而且芯片工作频率高达25 MHz，完全可以满足控制的实时性需要，保证了设计的成功实现。
2 关键硬件电路设计
2.1 脉宽调制电压调节
这部分电路设计采用了半桥隔离变换器拓扑结构，具体电路实现见图2。PWM控制芯片选用SG3525A电压型芯片,该芯片控制方式简单，可直接驱动MOSFET，控制和保护功能齐全，非常适用开关电源。开关管选用了功率MOSFET，功率MOSFET具有驱动功率小，工作速度快，无二次击穿问题，安全区宽等优点。控制方式是脉宽调制，频率采用80 kHz。通过单片机C8051F015片内的D/A转换器输出给定电压信号至SG3525A的误差比较器的正输入端，通过光耦反馈回来的输出电压信号输入比较器的负输入端，当反馈电压信号低于给定电压信号时，SG3525A内部逻辑电路动作，输出驱动脉冲信号，随着误差电压的增大，脉宽变大，使得MOSFET导通时间加大，输出电压升高，反馈电压跟随升高，误差电压减小，达到输出电压等于给定值。驱动脉冲信号为二路分别驱动2个MOSFET，每路占空比调整最高可达50％左右，二路并用则可达到约100％，充分利用了SG3525A的驱动能力，加大了电压调节范围。
2.2 开关管驱动电路设计
设计中开关管采用MOSFEF和IGBT二种不同的开关器件，驱动电路的设计要考虑到能够同时驱动二种器件，以减少设计的复杂性。目前驱动方式很多，但是大多数采用的是脉冲变压器驱动法，这种方法简单可行，但是在很多方面都受到限制，在很宽的占空比调节范围下要运用复杂的技术，而且开关驱动波形也不理想，还可以采用专用光电隔离器件，但设计电路比较繁琐。IR公司的IR2110栅驱动器，将用来驱动半桥的功率MOSFET或IGBT的功能集成在一起，只要加上少量外围器件就可提供高达数百kHz的驱动信号。具体驱动电路设计如图3所示。
从图中可见IR2110驱动电路极其简单，只需一个二极管和一个电容就可以搭建成一个半桥驱动电路，且性能很好。在电路器件的选择上要注意高端驱动部分，高端驱动是采用高压浮动MOS栅极驱动方式，这是一种自举方式，通过自举二极管和电容实现了浮动驱动。在选择二极管和电容时要特别注意，驱动信号的占空比和开启时间都受到自举元件的限制。自举电容的选择可参考下面的公式
式中,Q为高压侧MOSFET的栅极电荷；f为工作频率；ICbs(leak)为自举电容的漏电流；Ilson为20 mA；Ilsoff为20 mA；tw为200 ns;Vf为自举二极管的正向导通压降；VLS为低压侧或负荷的压降。
自举二极管必须承受特定电路的所有电压，而且反向恢复时间要尽量小，一般选用快速恢复二极管。
2.3 红外发送接收接口电路
本文的一个重要方面就是提出了一种解决高端泄漏电流测量问题的红外数据通信方式，所以这部分电路同样是很关键的。由于采用了C8051FO15单片机，利用单片机的PCA（可编程计数器阵列）可以很方便的产生所需的载波信号，这样硬件电路简单可靠，而且通过软件可以直接调节，灵活性大大提高。电路设计如图4所示。 C8051F015芯片内部集成了一个可编程计数器阵列（PCA），包含有1个专用的16位计数器、定时器和5个16位捕捉/比较模块，每个模块都有自己的I/O线（CEXn）。通过交叉开关可任意配置到单片机的I/O端口引脚上。每个模块都可实现边沿触发方式、软件定时器、高速输出和脉宽调制器4种工作方式。该设计采用了脉宽调制器的功能，使用模块0（CEX0）输出38 kHz载波信号。电路工作原理如下：CEX0、TX、RX通过数字交叉开关配置到I/O输出端引脚上，外部用5 V电压上拉，实现3 V系统和5 V系统接口的兼容，通过CD4001或非门将波形调整后，载波信号输出改变三极管S9013的状态，推动红外发射管TSIP520发出信号，TSIP520发射波长为950 nm，而接收电路使用专用的接收芯片LUCKY LIGHT公司的LL-MB38，该接收器内部整合了放大电路，带通滤波电路，解码电路，直接输出电平信号，与TTL和CMOS电平兼容。接收波长为950 nm，接收距离12 m，载波频率为38 kHz。接收到的信号通过CD4001调整后直接输入单片机的RX端。通过这种电路设计的输出接口最大发射接收距离为5 m。
3 系统软件设计
系统软件采用了模块化的程序设计思想，将每个具体的功能分别集成在独立的程序模块内，这样可使程序结构清晰，功能调用简单方便。整个软件包括脉宽调制控制模块、中频频率控制模块、保护模块、红外通信模块、232通信模块、PID算法模块、键盘显示模块等。软件流程如图5所示。C8051单片机自带了软件开发平台，而且单片机本身支持JTAG接口，利用C51编程语言，可以快速的编写调试程序，大大缩短了软件开发周期。
4 试验结果
为了确保每个部分的性能，试验采用了分块测试的方式。脉宽调节模块输入300 V直流，输出0～150 V直流，测试用模拟负载为1 kΩ和40 Ω功率电阻。试验结果为，带1 kΩ电阻时电源输出电压从0开始起调，稳定的调节输出达到额定电压150 V，用示波器测量全程测量脉动电压的相对脉动系数r＜0.25%。负荷变为40 Ω时，输出稳定可调至额定电压达到150 V。输出相对脉动系数r增加到0.6%。在大电流输出的情况下，电源的性能略有下降，在设计允许范围内。
红外通信模块的测试，红外通信接口主要是测试红外传输距离和误码率。通过试验，红外通信接口在小于3 m传输距离下，信号稳定,无误码，在3 m距离上信号有衰减，但是工作正常，超过5 m信号解码错误，脉冲信号很弱，接口对准方向性很强。由于设计的高压整流筒高度不超过1 m，完全能满足设计需要。
整机调试，有了前面的调试基础，整机测试主要是保护功能，在负载被击穿的瞬间短路，空载电压为200 kV，控制和保护系统正常。
5 结束语
本文提出了高压发生器的实现方法和一种新型泄漏电流的测量方法。根据上述设计原理设计的直流高压发生器，输出电压稳定，纹波系数小，测量信号读数直接。经过试验，完全满足设计指标，在电力行业等工业领域有重要的实际应用价值。
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