0、引言

　　高壓斷路器是電力系統中最重要的控制和保護電路，其作用就是接通或切斷高壓電路，對電力系統起保護作用。動作電壓試驗、機械特性測試是最能反映高壓斷路器電氣、機械性能的測試，通過它能考核斷路器的各種開斷與關合性能，驗證滅弧室與其它部分的結構設計，制造工藝和材料選擇是否正確合理，盡早檢測出斷路器的機械缺陷和隱患，避免發生高壓斷路器拒分、拒合、分合不成功、爆炸等事故發生。因為操作機構動作遲緩等，將引起消弧的延緩，其后果使繼電保護動作不正確，如躍級跳閘等，嚴重時使斷路器爆炸。

　　高壓斷路器動作電壓試驗、機械特性測試是斷路器安裝、檢修工作中必不可少的項目，也是保證電力系統安全運行的一項基本預防性試驗。為了做好該項測試，可調電壓的斷路器操作控制電源是關鍵。當前廣泛使用的整流電源，在帶上負載后的輸出電壓，比較之前的整定值會有明顯跌落。無論是恒定還是瞬間的電壓跌落，其對斷路器動作特性影響都是不可忽視的，因為斷路器操作線圈的動作時間不到一個周波，整個斷路器的分、合閘時間也只是幾個周波。對動作電壓試驗而言，操作電壓跌落的影響就更大。因此，需要研制較高負載調整特性、紋波系數小、抗干擾性強的斷路器操作控制電源。隨著高頻開關電源技術的發展應用，使得較高負載調整特性、紋波系數小、抗干擾性強的斷路器操作控制電源研制有了技術基礎與背景。

　　本文采用電壓脈寬型PWM控制芯片TL494，高壓懸浮驅動器IR2110，以及功率開關器件IGBT方案實現高頻開關電源。

　　1、電源主要技術指標、工作原理與系統構成

　　1.1電源的主要技術指標

　　輸入電壓范圍：220VAC±10%50Hz±5%

　　環境工作溫度：-50℃～45℃

　　輸出電壓范圍：30VDC～265VDC

　　連續可調最大輸出電流：Imax=15A

　　輸出紋波系數：《±0.2%結

　　構型式：便攜式

　　1.2工作原理

　　該高頻開關電源由主電路、控制電路、保護電路、濾波電路、輔助電源和散熱裝置組成。輸入的220V交流電經二極管全波整流及大電容濾波后得到平滑穩定的直流電，然后由IGBT全橋結構的逆變電路將其逆變為高頻交流方波，再經變壓器升壓和輸出整流濾波電路濾波將交流方波整定為所需的可調直流電。控制電路由TL494和IR2110構成，TL494輸出的PWM信號經IR2110放大驅動IGBT。保護電路設有軟啟動、過電流、過電壓等保護功能。系統框圖如圖1所示。

　　圖1系統框圖

　　2、TL494的結構和性能

　　TL494是美國德克薩斯州儀器公司生產的一種性能優良的電壓驅動型脈寬調制器件，可作為單端式、推挽式、全橋式、半橋式開關電源控制器，被廣泛應用于開關電源中，是開關電源的核心控制器件。TL494的輸出三極管可接成共發射極及射極跟隨2種方式，因而可以選擇雙端推挽輸出或單端輸出方式。在推挽輸出方式時，其兩路驅動脈沖相差180°，而在單端方式時，其兩路驅動脈沖為同步同相。TL494是有16引腳雙列直插式塑料封裝集成芯片。它的工作頻率為1～300kHz，輸出電壓達40V，輸出電流為200mA。TL494的引腳說明如下：

　　1、2腳：內部誤差放大器1的同相輸入端和反相輸入端，可用于閉環穩壓;

　　3腳：脈寬調制補償端;

　　4腳：死區時間設置端，通過設置死區時間，可防止上下橋臂直通;

　　5、6腳：設定振蕩器頻率用電容與電阻連接端;

　　7腳：工作參考地端;

　　8、11腳：脈寬調制方波輸出晶體管的集電極;

　　9、10腳：脈寬調制方波輸出晶體管的發射極;

　　12腳：工作電源連接端，極限電壓41V，低于7V電路不啟動;

　　13腳：輸出方式控制端，在該端為高電平時，TL494為推挽輸出型，最大占空比為48%;在該端為低電平時，兩路輸出脈沖相同，最大占空比為98%;

　　14腳：基準電壓輸出端，該端輸出一標準的5V±5%基準電壓，其溫度穩定性好，可用來作為給定信號或保護基準信號;

　　15、16腳：內部誤差放大器2的反向輸入端與同相輸入端，用于過電壓和過電流保護。

　　TL494的內部結構圖如圖2所示。

　　3、IR2110的結構和性能

　　IR2110是IR（InternationalRectifier）公司設計的驅動集成電路芯片。該芯片是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件的單片式集成驅動模塊，在芯片中采用了高度集成的電平轉換技術，大大簡化了邏輯

　　圖2TL494的內部結構圖

　　電路對功率器件的控制要求，同時提高了驅動電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅動電源數目較其他IC驅動大大減少，本開關電源采用2片IR2110來驅動單相全橋的4個IGBT，僅需一路10V～20V的電源。這樣不僅降低了產品成本，并且提高了系統可靠性。其耐壓最高可達500V;功率器件柵極驅動電壓范圍10V～20V;輸出電流峰值為2A;而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量;帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配;獨立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能;兩通道的匹配延時為10ns;開關通斷延時小，分別為120ns和90ns;工作頻率達500kHz。下面是IR2110的引腳說明：

　　1腳：LO，低端輸出;

　　2腳：COM，低端電源公共端;

　　3腳：VCC，低端固定電源電壓;

　　5腳：VS，高端浮置電源公共端;

　　6腳：VB，高端浮置電源電壓;

　　7腳：HO，高端輸出;

　　9腳：VDD，邏輯電路電源電壓;

　　10腳：HIN，邏輯輸入控制端;

　　11腳：SD，輸入關閉端;

　　12腳：LIN，低端邏輯輸入;

　　13腳：VSS，邏輯電路接地端。

　　IR2110的內部結構框圖如圖3所示。

　　圖3IR2110的內部結構框圖

　　4、運用TL494與IR2110設計的斷路器操作電源的控制電路

　　斷路器操作電源的控制電路和主電路如圖4所示，控制電路由TL494與IR2110構成，主電路是四個IGBT構成的全橋拓撲結構。主電路把直流電壓U1轉換為高頻矩形波交流電壓送到高頻高壓變壓器，經升壓整流濾波后提供給負載供電。電路通過TL494控制PWM1和PWM2的占空比，來得到脈寬可調的矩形波交流電壓。本電源是電壓閉環控制，通過霍爾傳感器檢測輸出電壓，把轉換后得到的電壓值送入TL494的1腳。霍爾傳感器采用利用磁補償原理的HNV025A、HNV025A能夠測量直流、交流以及各種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的，既完成了電壓檢測，又實現了控制電路和主電路的電氣隔離。它的輸入額定電流是10mA，輸出額定電流是25mA。TL494的2腳輸入的是參考電壓，由電位器調節電壓值。

　　TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調制電路，內置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調節，其振蕩頻率如下：

　　本開關電源RT為2.5kΨ，CT為0.01μF，振蕩頻率為40kHz，振蕩頻率是開關頻率的兩倍，所以開關頻率是20kHz.

　　圖4由TL494與IR2110構成的控制電路

　　輸出脈沖的寬度是通過電容CT上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當雙穩觸發器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。脈沖寬度調制比較器為誤差放大器調節輸出脈寬提供了一個手段：當反饋電壓從0.5V變化到3.5V時，輸出的脈沖寬度從被死區確定的最大導通百分比時間中下降到零。死區時間通過設定TL494的4腳電壓值來確定。死區時間比較器具有120mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區時間約等于鋸齒波周期的4%，本開關電源輸出端接參考電平，最大占空比為48%。

　　在9腳、10腳輸出兩路PWM信號，這時的PWM信號還不足以直接驅動IGBT，所以接兩片IR2110放大PWM信號，驅動4只IGBT。IR2110的10腳、12腳輸入TL494輸出的PWM信號，1腳、7腳輸出放大了的PWM驅動信號，控制IGBT的導通與關斷。Vcc通過快恢復二極管向自舉電容C6充電，C6旁邊并聯的高頻小電容C7用來吸收高頻毛刺干擾電壓。

　　5、結論

　　如何研制方便使用、測試準確、安全可靠的斷路器調試測量儀器，以便做好高壓斷路器的測試維護，成為電力工作的一大主題。由脈寬調制控制芯片TL494和高壓驅動器IR2110構成的高頻開關電源，具有控制簡單、抗干擾性強、紋波系數小、便于攜帶等優點，適合用于測試斷路器的電氣和機械性能。