（控制理论与控制工程专业论文）绝缘电阻测试仪的设计.pdf

人连理丁大学硕士学位论文 摘要 绝缘电阻是设备安全要求测试中的一项重要指标，也足判断绝缘体足否完整以及 绝缘体表面是否被污染的主要参数之一，通过测量设备的绝缘电阻可以及时发现设备 普遍受潮、局部严重受潮和贯穿性缺陷。原有的绝缘电阻测量设备是以半机械式的兆 欧表为主，其测量精度差，显示阻值低和无法一机多用等缺点限制了其使用范围。本 文针对上述缺点，将高频高压开关稳压电源和单片机控制引入到绝缘电阻测试系统中， 实现测量的自动化和宽量程，满足工农业中对绝缘电阻测量技术的需要。 首先，本文对绝缘电阻测试仪的技术背景以及国内外的发展状况进行简要明了的 介绍，并阐述本文主要研究的内容。其次，结合绝缘电阻测量中高电压，弱电流等特 点，通过分析绝缘电阻测量误差的来源，决定以单片机为核心，使用加压测流法的测 量方案。单片机主要完成采集和处理经过转化的数字量信号，完成键盘录入、液晶显 示等功能。而加压测流部分采用单端反激拓扑结构的d c d c 变换器和倍压整流电路 相结合的方式。可根据设定值将1 2 v 供电电压分别逆变整流输出5 0 0 v ，1 0 0 0 v ，2 0 0 0 v ， 5 0 0 0 v 四个不同档位的高压。论文中，分析了此变换器的工作原理、电气设计和结构 设计中应该注意的问题以及解决措施。在随后的电阻分压电路中，高压通过绝缘电阻 和一个与其串联的标准电阻分压，分压后的电压信号经过射随器、a d 转换器送达单 片机，经过单片机处理后得到被测绝缘阻值并由l c d 现实。在本文的后半部分，结合 流程图对整个软件系统的设计思想和一些重要的信号处理程序作以阐述。整个软件系 统是由c 语言编写，共有四部分，分别是：液晶显示模块，键盘处理部分，模数转换 和数据处理部分。最后，通过实例对所设计的系统进行了整机的测试，得到了较满意 的实验效果。 本系统的最大特点是： ( 1 ) 采用高频d c d c 变换器逆变直流高压的高压电源具有体积小，稳定度高 的特点，可有效提高仪表的检测精度。 ( 萄整个系统的测量范围宽、精度高，对应5 0 0 v 一5 0 0 0 v 的测量电压，测量范 围达0 f l - 3 3 t q ，误差小于5 。 关键词：绝缘电阻；单端反激式；d c d c 变换器；单片机 大连理工大学硕f 学位论文 t h e d e s i g no fi n s u l a t i o nr e s i s t a n c et e s t e r a b s t r a c t i n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ( i r ) i sa l li m p o r t a n ti n d e xi nat e s t i n go ft h es a f e t ye q u i p m e n tr e - q u i r e m e n ta n da l s oi s o n eo fm a j o rp a r a m e t e r si nj u d g i n gw h e t h e ri n s u l a t i o n sa r ei ng o o d s h a p e o rs t a i n e do nt h es u r f a c e ag e n e r a lw e t t i n g ，l o c a ls e v e r ew e t t i n go rp e n e t r a b i l i t yf l a w o fd e v i c e sta nb ed e t e c t e db ym e a s u r i n gi r o r i g i n a li rt e s t e r sa r em o s t l ys e m i m e c h a n i c a l m e g o h m m e t e r so fw h i c hal o wa c c u r a c y , l o wd i s p l a y e dd i g i t a la n df a i l u r ei na t r a c t o rs e r v - i n gs e v e r a lp u r p o s e sl i m i tt h em e g o h m m e t e r su s a g ea n dh i d ed a n g e r s i n t h i ss y s t e m , ah i g h f r e q u e n c yh i g hv o l t a g es w i t c h i n gr e g u l a t e dp o w e rs u p p l ya n das i n g l ec h i pc o m p u t e rc o n t r o l l e ra r ei n t r o d u c e dt or e a l i z ea na u t o m a t i cm e a s u r i n g , aw i d er a n g ea n dah i g ha c c u r a c y t h en e wi rt e s t e rc a nm e e tt h en e e do fl rm e a s u r i n gi ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e f i r s t l y , t h i sd i s q u i s i t i o nc a r r i e so u tab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a id e v e l o p m e n ts i t u a t i o na sw e l la st h et e c h n i c a lb a c k g r o u n do fi rt e s t e r , a n dt h e n e l a b o r a t e st h em a j o rc o n t e n to ft h er e s e a r c hi n t r o d u c e di nt h i sd i s q u i s i t i o n s e c o n d l y , b y a n a l y z i n ge r r o rs o u r c e s ，c o m b i n i n gw i t ht h en a t u r e so fh i g hv o l t a g e ( h v ) a n dw e a kc u r r e n t i i ii rm e a s u r i n g ，t h es c h e m eo fas i n g l e c h i pc o m p u t e ra sac o r ea n da p p l y i n gh vt om e a s - u i cc u r r e n ti sd e v i s e d t h es i n g l e - c h i pc o m p u t e rc o l l e c t sa n dh a n d l e st h ed i 【g i t a lv a l u ec o n v e r t e df r o mm e a s u r i n gs i g n a la c h i e v e sk e y b o a r di n p u ta n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( t e d ) ，e t c t h ep a r t i t i o no fa p p l y i n gh a t om e a s u r ec u r r e n ti sc o m p o s e do ft h ed c d cc o n v e r t e r ( s i n - g ke n df l yb a c kt o p o g r a p h y ) a n dv o l t a g e m u l t i p l y i n gr e c t i f y i n gc i r c u i t t h ec o n v e r t e rs u p p l i e dw i t ha1 2 vd c v o l t a g ec a ng e n e r a t e5 0 0 v 1 0 0 0 v ，2 0 0 0 v 5 0 0 0 vf o u rd i f f e r e n th v s 1 m ea u t h o ra n a l y s e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fd c d cc o n v e r t e ra sw e l la se l a b o r a t i n gs o m e p a r t i c u l a rp r o b l e m st oh en o t i c e da n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o di nt h ee l e c t r i c a la n ds t r u c t u r a l d e s i g n f u r t h e r m o r e ，t h eh vp r o d u c e df r o mv o l t a g e m u l t i p l y i n gr e c t j 母啦e k c u i ti sd i v i d e d b yt h ei ra n da n o t h e rs t a n d a r dr e s i s t a n c ec o n n e c t e dw i t hi ri ns e r i e s t 1 l ed i v i d e dv o l t a g e s i g n a li st r a n s m i t t e dt ot h es i n g l e c h i pc o m p u t e rv i av o l t a g ef o l l o w e ra n da dc o n v e r t e rt o h eh a n d l e da n dd i s p l a y e do nl e d i nl a t t e rp a r t i t i o no ft h i sd i s q u i s i t i o n , d e s i g nm e t h o d so f s o f t w a r es y s t e ma n dp r o g r a m st oh a n d l es o m ei m p o r t a n ts i g n a la r ee l a b o r a t e d t h ew h o l eo f s o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hc l a n g u a g ea n di sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，a n dt h e ya r e ；t h e m o d e lo fl e d ；t h ep a r t i t i o no fk e y b o a r dh a n d l i n g ；a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ；t h ep a r t i t i o n o fd a t ap r o c e s s i n g f i n a l l y , at e s tt h r o u g he x a m p l e ss h o w st h a tt h es y s t e mc a no b t a i ns a t i s ， f a c t o r yr e s u l t s t h em a i nf e a t u r e so f t h i ss y s t e m ： 一 绝缘电阻测试仪的设计 ( 1 ) t h ed c d cc o n v e r t e rc a np r o d u c ead c h vw i t hah i g hs t a b i l i t y , w h i c hi s g o o df o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no f t h ew h o l es y s t e m ( 2 ) t h es y s t e mh a saw i d em e a s u r i n gr a n g eo f0 q 一3 3 t f la n dal o we r r o rl e s s t h a n5 c o r r e s p o n d i n gw i t h5 0 0 v 一5 0 0 0 v k e yw o r d s ：i n s u l a t i o nr e s i s t a n c e ；s i n g l ee n df l y b a c k ；d c d cc o n v e r t e r ；, s i n g l e - c h i p c o m p u t e r i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：杏使日期：夕硎多憎，) f 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编学位论文。 作者签名：厦焦 导师签名： 争 趔g 年月二日 大连理工大学硕士学 奇论文 引言 绝缘电阻1 1 1 1 2 1 1 3 1 是指用绝缘材料隔开两部分导体之间的电阻，而绝缘电阻测试仪是 用来测量绝缘电阻大小的仪器。为了保证电气设备运行的安全，应对其不同极性( 不同 相) 的导体之间或导体与外壳之间的绝缘电阻提出一个最低要求。 作为电器生产厂家，其生产的电器设备在出厂前均要进行一定电压下的绝缘电阻测 试试验，以保证设备的正常工作及使用设备人员的人身安全。许多电器设备在使用期间 也要定期进行绝缘电阻测试试验，例如在每年的黄梅季节和雷雨天气时期，各个企业的 各种电气设备，特别是高压设备都会有不同程度的受潮或局部损伤，使电气设备的绝缘 电阻减小，直接威胁着电气设备的安全运行及工作人员的人身安全。为了防止事故的发 生，必须定期对电气设备进行各种预防性试验。再如家用电器的安全要求规定：基本绝 缘为2 m q ；加强绝缘为7 m q ，这是为了电气设备的正常运行和工作人员的人身安全。 所以了解设备的绝缘特性就显得尤为重要了。影响绝缘电阻测量值的因素有：温度、湿 度、测量电压及作用时间、绕组中残存电荷和绝缘的表面状况等。通过测量电气设备的 绝缘电阻，可以达到如下目的： ( 1 ) 了解绝缘结构的绝缘性能。由优质绝缘材料组成的合理的绝缘结构( 或绝缘系 统) 应具有良好的绝缘性能和较高的绝缘电阻； ( 2 ) 了解电器产品绝缘处理质量。电器产品绝缘处理不佳，其绝缘性能将明显下降； ( 3 ) 了解绝缘受潮及受污染情况，当电气设备的绝缘受潮及受污染后，其绝缘电阻 通常会明显下降； ( 4 ) 检验绝缘是否能够承受耐电压试验。若在电气设备的绝缘电阻低于某一限值时 进行耐电压测试，将会产生较大的试验电流，造成热击穿而损坏电气设备的绝 缘。因此，通常各式各样试验标准均规定在耐电压试验前，先测量绝缘电阻。 可见，绝缘电阻的大小常能灵敏地反映绝缘情况，能有效地发现设备普遍受潮、局 部严重受潮和贯穿性缺陷。因此，测量绝缘电阻，是了解设备绝缘情况的重要手段之一， 是绝缘预防性试验中不可缺少的一项。 目前，国内绝大多数工矿企业在进行绝缘电阻测量时都采用老式半机械式兆欧表， 主要有以下缺点： ( 1 ) 测量精度低，误差大。由于是人工摇动式发电，所产生的高压精度不高，而且 显示方式是指针显示，必然会有很大的测量误差。 ( 2 ) 不能一机多用。在很多场合下操作人员希望对设备进行不同耐压条件下的测试， 对于传统的兆欧表只可以产生单一电压，因此远远不能满足实际要求。 ( 3 ) 所能显示的电阻值较d , ( 5 0 0 m t 2 左右) 。在有些时候，设备的绝缘即使出现问题， 其绝缘电阻值也可能在数g f l 。因此使用老式兆欧表是无法发现问题的。 绝缘电阻测试仪的设计 本课题正是针对以上工农业生产中设备绝缘电阻测量所存在的问题而提出的。与本 课题类似的研究成果和实际产品主要是绝缘电阻测试仪( 俗称电子兆欧表) 。国内的绝 缘电阻测试仪厂商，例如台湾的路昌，国营建华仪表厂等，其产品的测量范围大多都在 几m g ) 儿g q ，测量误差在5 一1 0 左右；国外产品，例如日本共立( k y o r i t s u ) 和恒河，德国b e h a 和g m c ，美国的e d & d 等，其产品性能，功能和精度较之国内产 品都更加优良，因此现在在绝缘电阻测试以及相关产品方面领先的仍然是国外的产品。 本系统汲取国内外产品的优秀和成熟之处，根据实际需要设计了一套测量量程和测量精 度都非常高的绝缘电阻测试仪，其技术参数和性能不逊丁，国外现有产品。 本课题“绝缘电阻测试仪的设计”主要尝试了一种新的绝缘电阻测量方法，其特点 主要是：相对于传统的兆欧表，绝缘电阻测试仪进行了本质上的改进，使其达到较高的 测量精度，而且全自动的测量流程减少了工人的劳动强度。 本文共分为五大部分： 第一部分既是本节，主要介绍了绝缘电阻测试仪的特点和国内外发展现状； 第二部分是全文的第一章，介绍了系统的总体设计思想，根据期望达到的目标参数 和绝缘电阻的测量过程，设计出系统大概框架结构，选择出所需要的关键技术； 第三部分是全文的第二章，系统的硬件设计( 各部分功能模块的原理和功能) 将会 被详细阐述； 第四部分足全文的第三章，主要介绍系统的软件设计； 第五部分是全文的第四章，讨论系统的调试和测量方法； 最后一部分为系统的结论，总结系统所实现的功能和特点，展望绝缘电阻测试仪的 使用前景。 大连理t 大学硕七学位论文 1 系统总体设计 1 1 系统要实现的功能 1 1 1 绝缘电阻的测量过程 普通电阻的测量通常有低压下测量和高压下测量两种方式。而绝缘电阻的测量根据 其耐压要求，所旌加的测量电压大都在5 0 0 v 以上，因此绝缘电阻测试仪内部设有能够 产生不同高压的直流高压稳压电源，其工作原理如图1 1 所示： 图1 1 绝缘电阻测鼍示意图 f i g 1 1s k e t c hm a po fi rm e a s u r e m e n t 在测量r i 时，所需直流高压稳压电源输出一个已知的稳定的直流高压，随着如的 不同，r “上会线性分得不同的电压，通过采样、换算r “上的电压便可以得剑被测电 阻r i 的阻值。 由于绝缘电阻测试仪在工作过程中自身会产生高电压，而测量对象又是电气设备， 为了保证测量结果的真实性，避免人身或设备事故的发生，绝缘电阻测试仪的使用过程 如下。 ( 1 ) 根据被测设备的耐压等级选择测量电压。 ( 2 ) 测量前的检查。测量前必须将被测设备电源切断，并对地短路放电，绝不允许 设备带电进行测量，以保证人身和设备的安全。被测物表面要清洁，减少接触 电阻，确保测量结果的准确性。 0 ) 在测量过程中，应注意不要接触绝缘电阻表面和仪表端子，避免发生触电事故。 ( 4 ) 在测量较大容量电容器、发电机、电缆线路和变压器等设备的绝缘电阻后，由 于它们本身存在的电容被绝缘电阻测试仪高压充电，测量后还带有高压，可能 会造成人身触电事故，所以测量完毕后应首先对被测物进行短路放电。 ( 5 ) 为防止操作人员因为误操作而引起的触电事故或为保护测试设备和被测设备的 安全，绝缘电阻测试仪所产生的高压直流电源应具有可靠的过流保护功能。 绝缘电阻测试仪的设计 1 1 2 绝缘电阻测试仪要实现的功能和眭能 本课题将单片机与高频高压开关稳压电源相结合，以提高绝缘电阻测量自动化的水 平，尽可能多得减轻工人的劳动强度，提高丁作效率。所要实现的主要功能和性能如下： ( 1 ) 利用开关电源实现高压输出，可以分别输出5 0 0 v 、1 0 0 0 v 、2 0 0 0 v 、5 0 0 0 v ， 并且具有相应的过压、欠压和过流保护； c 2 ) 实现自动档位切换功能，在测量不同大小阻值的绝缘电阻时，可以自动投切不 同的电阻档位； ( 3 ) 完成显示、键盘录入等人机界面功能，实现模数转换，高压和低压两部分之间 的连接要安全可靠，并且不影响测量。 ( 4 ) 设备可使用交流2 2 0 v 和直流+ 1 5 v 两种供电方式。 ( 5 ) 测试绝缘电阻范围是0 q 一3 3 t f 2 。 ( 6 ) 测量误差小于5 。 1 1 3 系统功能模块的划分 根据整机的功能和作用，可将本系统划分为四部分： ( 1 ) 高频高压开关稳压电源； ( 2 ) 分压电路； ( 3 ) 模拟信号采集与转换电路； ( 4 ) 数据处理、模拟开关控制及显示电路。 1 2 主要技术选择 以上介绍了本课题所要实现的系统功能，并将其分成四个功能模块，要更好地实现 这四个功能模块的功能，需要对实现这些功能的技术进行必要的了解和谨慎的选择，以 下分别对四个模块的关键技术进行介绍和选择。 1 1 2 1 高压开关电源电路 针对电路输出功率小，输出电压高，体积小等特点，采用了单端反激式的变换器拓 扑结构，通过单片机在不同基准电压之间进行切换，高频变压器的次级绕组经倍压整流 电路输出不同的电压值，分别对应着直流5 0 0 v 、1 0 0 0 v 、2 0 0 0 v 、5 0 0 0 v 共4 组输出电 压，不同的档位可由用户根据需要自行选择。根据对输出电压和电流的采样，控制电路 及时改变开关器件的导通时间，从而稳定地输出期望电压，并提供了过压过流保护，使 系统工作得更加稳定可靠，同时也可保护操作人员与被测设备的安全。 1 2 2 分压电路 当高压产生，被测电阻接上后，为了使模拟信号采集与转换电路能够接收剑 1 5 m v 一2 5 v 之间的模拟电压信号，要求系统根据不同的被测电阻自动投切不同的标准电 4 一 大连理t 大学硕l 学位论文 阻，使得分压电路输出满足要求。其中自动投切电路比较复杂，它既可以用硬件实现， 也可以通过软件编程实现，考虑到软件编程的复杂性和不可靠性，在本系统中使用了硬 件实现的方法，具体的实现方式将在后续的章节中进行阐述。 1 2 3 模拟信号采集与转换电路 电阻分压电路输出的电压信号是模拟信号，而且与高压有着直接联系，当被测电阻 不慎短路或是很小时，高压将会进入模拟信号采集与转换电路以及后续电路中，直接威 胁系统的核心器件与人身安全。因此在设计此部分电路时必须保证在各种情况下设备的 安全工作。此部分核心器件足1 6 位的a d 转换器和具有高输入阻抗的运算放大器。 1 2 4 数据处理及模拟开关控制电路 此部分电路以a t m e l 公司的5 1 系列单片机为核心，主要完成数据处理、模拟开 关的控制和人机界面的键盘录入与显示。 1 3 系统总体结构设计 根据整个系统的设计要求将系统分为四部分，这四部分的关系与连接方式如图1 2 ： 高频高缝开关 稳压电源 1 基准 i 皇垦广_ 一 5 0 0 v n 0 0 0 v ， 2 0 0 0 v 5 0 0 0 v 高 频高压开关稳压 电源 压 自动投卜j l 叫分压 切电路l j 2 一电阻 分压电路 电 阻 分 a d f f 信号采 转换器r 1 集电路 模拟信号采集与转换电路 信 号 图1 2 系统原理结构图 f i g 1 2s l r u c t u r em a po f s y s t e mp r i n c i p l e 绝缘电阻测试仪的设计 1 4 本章小结 本章根据系统的设计要求和期望实现的功能勾画出系统的整体结构，在此基础上， 首先根据系统的功能划分出各个功能模块；其次根据务个功能模块要实现的功能选择关 键技术；最后给出系统的整体结构原理图。对于模块关键技术的介绍比较粗略，详细的 介绍会在后续的章集中给出。 6 一 大连理工大学硕 。学位论文 2 系统硬件设计 对于一个系统的硬件设计，最重要的是简单、安全、可靠、运行稳定并且要有良好 的保护措施，本章将重点介绍各部分硬件电路的功能及工作原理。 2 1 高频高压开关稳压电源 可使用的开关电源拓扑结构有很多，例如单端反激式、推挽式、半桥式和全桥式拓 扑，由于本系统中高压开关电源输出的电流很小，但是电压很高，所以选择成本低，适 合小功率的单端反激式拓扑结构。 根据系统要求，所设计的高频高压开关稳压电源应具有如下指标： ( 1 ) 输入电压为交流2 2 0 v 或直流+ 1 5 v 。 ( 2 ) 输出电压可根据需要设定为5 0 0 v 、1 0 0 0 v 、2 0 0 0 v 和5 0 0 0 v 。 ( 3 ) 具有过流保护功能，保护电流设定为0 6 m a 。 ( 4 ) 具有过压、欠压报警功能，当输出电压超过或低于正常电压的5 时输出报警 信号。 2 i 1 单端反激式变换器的工作原理 对于反激式变换器1 4 1 1 5 i ，其输入输出之间以变压器的形式对电网进行电气隔离，虽 然隔离元件是以变压器的形式画出，但这个变压器的作用也是一个扼流线圈，做储能用 的电感。其中只有单一方向的磁通，即只工作在磁滞回线的第一象限，所以又称之为单 端变压器。其工作原理如图2 1 。 图2 1 单端反激式变换器原理图 4 1 f i g 2 1p r i n c i p l em a po f y b a c k c o l l v e t t e r 当t f 导通时，在初级线圈中流过电流，并贮存能量，但由于扼流变压器的输入和输 出线圈的同名端极性相反，二极管d 承受反向偏压，没有能量传送到负载r 上。 当t f 关断时，由于线嘲中磁场的急剧减少，使得次级线幽的电压极性反向，二极管 d 导通，从而向输出电容充电，并向负载传递电流，由于t f 与d 工作相位相反，即t r - 7 绝缘电阻测试仪的设计 关断时，d 开通，耦合的能量经副边传送至负载。这像在t ，回程时传递能量一样，故称 o n o f f 工作方式或叫回扫变换器。 由丁二能量传递经过磁的转换，电网的干扰不能直接进到负载，故线路的抗干扰能力 强。其波形如图2 2 所示。 ，7弋1 1 、 。、，、 7 7 、， 一t 0 _ 一t d f r 斗 n p v 矾爿0 n v s t o f f v s + n p v o ，n s = v s + h q v s 7 1 一。 r 婚哆，7 ，7 i p - i i 7 1 丁 f l s m v ( 1 以 i s m l l 图2 2 单端反激式变换器波形图 f i g 2 2w a v e f o r mo ff l y b a c kc o n v e i l e f i ：旦t 2 _ 土l r t m 。普t “ 由于t f 管段期间，流过副边绕组的电流j s = i s m - - 芒t ，而i p n n r = i s 。n s ，即 - “= 卺- m ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 大连理工人学硕t 学付论文 式中i p m 、i s m 玢别为原边、副边电流的幅值( a ) 。 当l p 、k 为常数时，电流i v 和i s 将按线性规律上升或下降，由式i 。= i s m - _ v 0t 可知， h 单端反击变换器随t 的不同有三种工作状态。 ( 1 ) t 。f f = 专i s 。时，则在l 关断末了，i s = 0 ，在下一个t s ，i p 从。按昔t 规律上升， 如图2 2 所示。 ( 2 ) t 。，导i 。时，在t f 重新导通之前，若i s 早已下降为零，则为电流不连续工 v o 作状态。输出电压由下式决定； v o2 拄矗k亿 变压器的匝数比只影响剑晶体管上的端压( 副边有电流时) ，n r n s 越大，晶体管 上的电压越高。当i s 降为零之后，t i 所受的端压为v s 。 t o r pc l d 。v o 时，在t r 截止期末了，i s 并未衰见到o ( i s o ) ，这样，t r 重新导通时， i p 不足从0 开始，而将从对应于i s 。的i p m i 。加上v d l pt ，增量上升。这种周期结束时， 磁通没有刚到周期开始时的出发点的情况，有可能使磁芯内磁通随周期的重复而逐次增 加，导致磁芯的饱和而损坏高压开关管。因此一般足用粉末为压制的磁芯，或增加磁芯 气隙来增大磁芯的h 。值( 相应的b 。值一般会减小) ，当初级电流达到最大值i p 。时， 磁芯不会进入饱和状态。另外，在t i 截止期间，应考虑增加“去磁”环节，使t 田i n 不 会增加。考虑到变压器原、副边绕组间存在漏感，在t f 关断瞬间，原边漏感乘上电流变 化率即为集电极承受的电压尖峰，加之，t i 重新导通时i s 不为零，因此，d 反向恢复电 流将引起原边晶体管集电极电流尖峰。为了削去这些尖峰，必须加上钳位电路。因此， 使用于反激变换器中的晶体管必须按照关断时的最高集电极电压和导通时的最大集电 极尖峰电流来选择一般在关断时，晶体管必须承受的最高集电极电压为： k 一= - 一 ( 2 5 ) 1 一口帆x 式中最大占空比； v f 一电源的电压。 由上式可见，k 一大小与m “有关。有时v 。3 v s 一4 ，在选择晶体管时应注 意。为了限制集电极电压在一个安全的值之内，占空比必须保持在较低值通常取 p 。- 0 4 左右，这样可以把最高集电极电压限制在k c 2 2 v s 。 再从l 导通时，必须满足集电极工作电流来看，则应为i 。= i o n ，式中1 0 为扼流 变压器输出的最大电流，n 为变压器原边、副边的匝数比。 绝缘电阻测试仪的设计 为能够根据受抉器的输出功翠科i 输八电j 盘求出临界电感值l o 带l 集电檄最大尖峰 工作电流，扼流线圈中传出到输出的能量方程式为： 矗= ” 式中p 0 一扼流线幽传到输出的能量( v o 。 灯变换器的效率。 加在变压器上的电压可以表示为： v 。= l 矿d il 鲁 假定生a t 击- 丧一老，那缄z 加瓢 v s = i l f l o ( 2 ，8 ) 或 k 半 ( 2 9 ) n 、 将( 2 9 ) 代入到( 2 6 ) 得： p 0 - j 1 叩k i 。 整理得： i 。一可瓦2 p o ( 2 1 。) 式中e 。最大接通时间占空比( s ) ； p o 输出功率( w ) 。 将( 2 1 0 ) 代入到i c = i o n 中有： i 。- 瓦2 p o ( 2 1 1 ) 2 1 2 高频高压开关稳压电源框图 如图2 , 3 所示，高频高压开关稳压电源主要包括：工作电源电路、p w m 形成与控 制电路、功率驱动电路、高频变压器与缓冲器、倍压整流电路、输出电压控制、过流保 护与欠乐、过压报警电路。 大连理t 大学硕士学位论文 图2 3 高频高压开关稳压电源 f i g 2 3n i g hf r e q u e n c eh i g hv o l t a g er e g u l a t e dp o w e rs u p p l y 根据上图，硬件系统工作环节可以分为如下几部分：( 1 ) 工作电源，为p w m 形成 与控制电路、功率驱动电路和高频变压器等电路供电。( 2 ) p w m 形成与控制电路，根 据需要提供一定占空比的方波波形。( 3 ) 功率驱动电路、高频变压器与缓冲器，驱动 m o s f e t 工作在开关状态，通过高频变压器将电能从原边传递到副边，并对m o s f e t 提供可以抑制d v d t 电压尖峰的缓冲器。( 4 ) 倍压整流电路，高频变压器副边输出经过倍 压整流后形成高压送给后续的分压电路。( 5 ) 输出电压控制，高压输出的电压通过输出 电压控制回馈给p w m 形成与控制电路形成闭环系统。( 6 ) 过流保护，当高压输出电流 过大时，为保证人身和设备安全，过流保护启动，控制p w m 形成与控制电路关断高压 输出输出。欠压、过压报警，当高压输出电压过高或过低不能保证系统正常测量时， 欠压、过压报警电路会给单片机发出信号。 2 1 3 工作电源电路 从图2 - 3 中可知。工作电源电路是系统的功率输入部分，整个系统的能量供给都由 这部分电路完成。图2 4 给出工作电源的具体电路形式。为了减少体积，同时考虑到电 流较小的因素，将+ 5 v 供电直接由+ 1 2 v 通过三端稳压块7 8 0 5 给出。由于系统可以使用 交流2 2 0 v 和直流+ 1 5 v 供电，所以在稳压块7 8 1 2 的前端放置开关，当使用+ 1 5 v 电池 供电时将开关闭合即可。 绝缘电阻测试仪的设计 图2 4 工作电源电路 f i g ，2 4w o r k i n gp o w e rs u p p l yc i r c u i t 2 1 4p w m 形成与控制电路 p w m 形成与控制电路足高频高压开关稳压电源的控制部分，其控制核心是t l 4 9 4 1 6 l 芯片。 t l 4 9 4 是美国德州仪器公司生产的一种电压驱动型脉宽调制控制集成电路，主要应 用在各种开关电源中。它能把脉冲宽度变化的信号转换成与脉冲宽度成正比变化的直流 信号，进而实现闭环单回路控制。 t l 4 9 4 的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、死区调整电路、两个误差放大 器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。图2 7 是它的管脚图，其中1 、2 脚是误差放 大器i 的同相和反相输入端；3 脚足相位校正和增益控制；4 脚为间歇期调理，其上加0 n 3 , 3 v 电压时可使截止时间从2 线性变化到1 0 0 ；5 、6 脚分别用于外接振荡电阻和振 荡电容；7 脚为接地端；8 、9 脚和1 1 、1 0 脚分别为t l 4 9 4 内部两个末级输出三极管集 电极和发射极；1 2 脚为电源供电端；1 3 脚为输出控制端，该管脚接地时为并联单端输 出方式，接1 4 脚时为推挽输出方式：1 4 脚为5 v 基准电压输出端，最大输出电流1 0 m a ； 1 5 、1 6 脚是误差放大器i i 的反相和同相输入端。 开关电源的控制部分电路如图2 5 所示。 t l 4 9 4 内部有一个线性的锯齿波振荡器，其工作频率可以通过f o s c 。1 1 r t e g 确 定，其中r t = r s c t = c 1 。 c 2 2 和r l 共同构成软启动电路，其工作过程为：当整个系统初始上电的时候t l 4 9 4 的1 4 脚输出v r a = 5 v ，在上电瞬间电容c 2 2 相当于短路，t l 4 9 4 的4 脚为高电平，此时 的死区时间最大，t l 4 9 4 基本没有输出，随着时间的推移，电容c 2 2 上逐渐充满电荷并 建立起电压，t l 4 9 4 的4 脚上电平也逐渐被拉向低电平，最终当电容q 2 将直流电平隔 大连理工大学硕上学位论文 断，t i a 9 4 的4 脚电平也降至0 v ，此后，t i a 9 4 的脉宽控制由电压反馈控制。 g n d 图2 5 开关电源控制电路 f i g 2 5 c o n t r o lc i r c u i t o f s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y m 旺田d t i l 电压反馈刚路控制的工作流程为：被控制量( 输出端的分压信号) ，作为闭环回路 的过压反馈信号送给t i a 9 4 的误差放大器1 的i n + 同相输入端。设定输入信号足由 t l 4 9 4 上自带的5 v 基准电压源经过四组精密的多圈电位器分压，由c d 4 0 5 2 多路选择 器选通一路后接入t i a 9 4 的误差放大器1 的i n 反相输入端，通过改变多路选择器不同 的导通通路，就可以将不同的基准电压施加到t i a 9 4 误差放大器1 的i n 一反相输入端， 反馈信号和设定信号通过t l 4 9 4 的误差放大器1 进行比较放大，进而控制脉冲宽度，这 个脉冲宽度变化的输出又经过整流滤波电路及由集成运算放大器构成的隔离放大电路 进行平滑和放大处理，输出一个与脉冲宽度成正比的、变化范围为0 1 0 v 的直流电压。 这个电压就是所需要的输出控制电压，用它去控制执行电路，及时调整被控制量，使被 控制量始终与设定值保持一致，形成闭环单匣l 路控制。其中心为反馈电阻，对误差放 大器i 反相输入端的信号实现一定的增益。 过流保护匣i 路控制的工作流程和电路形式和过压保护回路相似，最大的不同之处在 于误差放大器2 是工作在比较器方式，反馈回来的电压信号与基准电压源分压后的标准 电压相比较便可以对输出脉冲进行控制，当输出电流过大时，输出电流在采样电阻上的 压降就会大于标准电压，此时，t i a 9 4 截断输出脉冲序列，电源基本无输出。 2 1 5 功率驱动电路、高频变压器与缓冲器 ( 1 ) 功率驱动 在本系统中，使用m o s f e t 比使用双极型晶体管可得到更多的好处i _ 7 i ，特别当器件 绝缘电阻测试仪的设计 用在高频时。由丁二一般m o s f e t 工作频率都很高，所以必须采用一些预防措施，把高 频时出现的问题，例如寄生振荡，加以消除。 如图2 6 ( a ) 所示为带动一个电阻负载，共源极方式的m o s f e t 典型电路。 m o s f e t 工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意。第一，尽可能减少 m o s f e t 各端点的连接线长度，特别是栅极引线。如果无法使引线缩短，则可按图2 5 所示，靠近栅极处串联一个小电阻，以便抑制寄生振荡。第二，由于m o s f e t 的输 入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡。特别是m o s f e t 的直流输入阻抗是非常高的，但它们的交流输入阻抗是随频率而改变的。因此，m o s f e t 驱动波形的上升和下降时间，与驱动脉冲发生器的阻抗有关。上升时间和下降时间可按 下式进行近似计算： t ：( 或t f ) 一2 2 r 。c 。 式中：t ：m o s f e t 驱动波形上升时间( n s ) ； t ；m o s f e t 驱动波形下降时间( n s ) ； r 。脉冲驱动l 旦i 路的电n ( q ) ； c h - m o s h t 的输入电容( p f ) c 缸i - c g s + c ； 上式中，只有在z 。苫r ；时是有效的。选择r 。，可以确定t ：( 或t ；) 。 由丁i 对场效麻管控制实质足对输入电容c 。的充、放电控制，所以驱动线路的负载 为容性网络。由于电容上电荷的保持作用，驱动电路无需继续提供电流。为了快速开通， 提供充足的充电电流是必要的。为此v j 电源内阻要尽量小。电阻r ：是为关断时提供放 电回路的，应使电容电压快速泄放，r ：值应 r 。 另一个重要的事情是：m o s f e t 的栅源极间的硅氧化层的耐压是有限的，如果实 际的电压值超过远见的额定值，则会击穿，产生永久性的损坏。实际的栅源电压最大 值在2 0 v 一3 0 v 之间。值得指出，即使实际电压为2 0 v ，仍然要细致分析一下是否会出 现由于寄生电感引起的电压快速上升的尖峰，引起击穿m o s f e t 的硅氧化层问题。如 果关断期间提供负偏压，可进一步提高可靠性。 图2 6 ( b ) 为本绝缘电阻测试仪中的m o s f e t 驱动电路，当脉宽控制芯片t l 4 9 4 集 成的晶体管的基极上施加高电平的时候，b g l 导通，电流流向为：+ 1 2 v t l 4 9 4 三极 管一心和r 3 ，由于r s 很小，只有几十欧姆，所以可以使b g l 栅源极之间的电容c 0 s 和栅漏极之间的电容c o d 快速充电，有较快的上升时间和较好的上升沿波形；当脉宽控 制芯片t l 4 9 4 集成的晶体管的基极上施加低电平的时候，晶体管截至，b g l 栅极被拉 至低电平，c o s 中的电荷通过r 8 和r 3 释放，这样可以很好的完成关断过程。 一1 4 人连理1 = 大学硕士学俯论文 图2 6m o s f e t 共源极电路( 开关状态) 和驱动电路 f i g 2 6c o m m o n $ o u i c e ( s w i t c h i n gs t a t e ) c i r c u i ta n dd r i v eo fm o s f e t ( 2 ) 高频变压器 图2 7 0 ) 给出了一个带有和不带有气隙和不带有气隙的铁氧体磁芯典型的b h 磁滞 回线。应该注意的是，虽然b h 回线的磁导性( 斜率) 是随着气隙的增大而变化的，但 带与不带气隙磁芯的饱和磁感应强度b | 是一样的。此外，在有气隙时，可工作的磁场 强度h 明显增大，而剩余磁感虑强度b ，则足明显减少，这些变化对反激式变换器来说 都是非常有利的。 由于反激工作位于第一象限的磁滞回线，磁芯在交流或直流作用下的b 、h 效果与 气隙有无关系，如图2 7 3 ( b ) 。 在交流电流下气隙的作用 开关电源开关导通时间所外加的