精密直流高电压标准源的设计

　　0　引言

　　在电学计量领域,随着测量需求的拓展,直流电压的测试范围不断向高端延伸,准确度要求也在不断提高。目前,数字千伏表的测量精度已经达到了0·2%,测量范围都达到了10kV或更高,对这些高压表的的计量测试以及在其他高电压方面的测量工作,都迫切需要高精度的高电压测量标准。为此,我们研制了0·1~10kV的直流高压标准源,输出不确定度为0·02%,以满足目前及今后直流高电压的精密测试需要。

　　1　工作原理

　　工作原理的方框图如图1。通过正弦波产生电路,产生幅度稳定的中频正弦信号,进入压控放大器和功率放大器,推动升压变压器升压,产生的交流高压经整流滤波后,变为直流高压输出,其输出的高压再经过标准分压器,分压后的低压与直流基准电压进行比较,其差值经积分放大后,控制压控放大器的增益,调节输出电压,通过闭环反馈,最终使输出电压稳定在与基准电压设定值相对应的高压上。

　　由于高压输出部分存在电感电容等惰性元件,具有一定的延迟,如果控制回路的参数选择不当,很容易产生振荡。为了做到升压控制平稳,设计中采用了大闭环负反馈数字调节稳幅技术,可以很好地抑制来自信号源和负载的电压波动。而积分数字调节技术能够以很高的控制精度保持输出电压的幅度不变,并对系统参数的变化不敏感,同时可以具有适中的响应速度,这要比采用脉宽调制技术具有更平稳的控制特性,另外采用小信号放大升压技术,在精密控制和选择工作频率减小纹波方面,要优于工频升压方式。

　　2　主要电路

　　2.1　正弦信号的产生和控制电路

　　高压标准源的输出范围设计为0·1~10kV,包含了两个量级,一般的电源设计中是要求量程换档的,但是对于高压输出来说,切换过程总是难以避免引入高压冲击和高压脉冲的瞬时干扰,这不仅会给开关器件和数字电路带来干扰甚至损坏,而且也会对闭环控制回路带来瞬时扰动等不利影响。因此,在电路中我们设计了宽动态范围的增益数控放大器,将闭环控制范围增大到两个量级,取消了量程切换,实现了大范围的连续平稳可控,保证了高电压的稳定输出。

　　为了提高稳定度,我们将正弦波产生器也作了小的闭环稳幅,使其信号的短时幅度波动小于0·003%,进一步减轻了后面闭环控制的难度,保证输出电压的高稳定性。

　　2.2　高压产生电路

　　在高压输出电路中,一般为了降低变压器的变比,减小变压器的绕制困难,都采用输出几百伏的高压功率放大器,但是由于目前还缺少可靠的高电压集成功放器件,如采用分立器件制作,由于对元器件要求高,存在的故障隐患也比较大,难以做到安全可靠。因此,在设计中决定提高变压器的变比。对升压变压器的材料选择、绕制工艺等进行了精心的设计和大量的实验,成功地将变压器的变比提高到了1∶400。降低了功率放大器的推动电压,实现了用低压集成功放电路推动升压变压器,产生交流高压,经整流滤波得到上万伏纹波极小的直流高压。由于这种功放模块用低压供电,电源部分体积小,功耗小,特别是在模块内部具有比较完善的保护电路,并可以带动较大的感性负载,因此大大提高了高压部分的可靠性。