本發(fā)明涉及一種高壓取電裝置，尤其是涉及一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的高壓取電裝置。

背景技術(shù)：

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及輸電線路的日益復(fù)雜化，越來越多的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備被運(yùn)用于高壓輸電線路之上。并且由于高壓輸電線路自身的高電壓等級(jí)特性以及其對(duì)電氣絕緣性的高要求，常規(guī)的低壓側(cè)供電方式不能滿足高壓側(cè)用電設(shè)備的用電需求，而一種由高壓取電裝置和無線能量傳輸系統(tǒng)組合而成的供電體系可以完善的解決這個(gè)問題，如圖1所示。又因?yàn)楦邏喝‰娧b置作為無線能量傳輸系統(tǒng)的電能來源，其取電性能更是影響著整個(gè)供電體系的供電性能。因此，本發(fā)明提出了一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)供電的高壓取電裝置設(shè)計(jì)方案。

高壓取電裝置利用了電磁感應(yīng)原理，將高壓母線附近的磁場能轉(zhuǎn)換為電能來為無線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行供電，再由無線能量傳輸系統(tǒng)將電能用無線的方式傳遞出去供給監(jiān)測(cè)設(shè)備使用。這種將高壓取電裝置的取電與無線能量傳輸?shù)膫麟娊Y(jié)合起來的供電方式具有穩(wěn)定性高、絕緣性好、可持續(xù)供電、便于安裝等諸多優(yōu)點(diǎn)，有著很大的發(fā)展空間。

傳統(tǒng)的高壓取電裝置設(shè)計(jì)原理一般利用電磁感應(yīng)原理，通過特制的取電線圈和磁芯來感應(yīng)高壓輸電線路上的交變電流，從而產(chǎn)生相應(yīng)的交流電輸出，然后經(jīng)過功率控制、電壓控制、整流、濾波、穩(wěn)壓等各電路調(diào)制后輸出穩(wěn)定的直流。而且目前對(duì)高壓母線感應(yīng)取電電源裝置的研究大部分都是在較寬的母線電流波動(dòng)范圍內(nèi)確保輸出穩(wěn)定的功率為主，功率較小，一般在1W～2W左右，這樣的設(shè)計(jì)明顯不能滿足無線能量傳輸設(shè)備大功率輸入的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本文提出的高壓取電技術(shù)的理論基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)原理，該技術(shù)是利用高壓母線中的交變電流所產(chǎn)生的交變磁場來取電，即是用一種特制的取電式電流互感器(現(xiàn)有技術(shù))去感應(yīng)交變磁場從而取出電能。高壓取電裝置對(duì)該電能進(jìn)行一系列整流、濾波、穩(wěn)壓處理之后就可以得到穩(wěn)定的直流輸出。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種面向無線能量傳輸系統(tǒng)的高壓取電裝置，

包括感應(yīng)取電部分和整流穩(wěn)壓部分，感應(yīng)取電部分包括取電CT，整流穩(wěn)壓部分包括整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路；

取電CT輸出的電能先輸入整流電路整流，穩(wěn)壓電路位于整流電路與裝置輸出接口之間，用于對(duì)輸入的電壓穩(wěn)壓，防止輸出電壓過大，濾波電路位于裝置輸出接口與穩(wěn)壓電路之間，用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)裝置直流輸出端的輸出電壓DC-OUT，并將其與一個(gè)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制穩(wěn)壓電路是否導(dǎo)通，即穩(wěn)壓電路是否進(jìn)行穩(wěn)壓。

采用n個(gè)取電CT間接并聯(lián)進(jìn)行取電；且利用RLC串聯(lián)電路的諧振對(duì)取電CT內(nèi)部感抗設(shè)置無功補(bǔ)償，即在取電CT的輸出端串聯(lián)補(bǔ)償電容以抵消取電CT中的電感性阻抗；其中，n大于3。

所述整流電路的電路結(jié)構(gòu)為單相橋式整流電路，采用的整流電路為ASEMI半導(dǎo)體公司的“KBPC1510”集成整流模塊。

所述穩(wěn)壓電路的實(shí)現(xiàn)采用的是n個(gè)大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”和200W、1Ω的金屬電阻形成的泄流支路，在泄放支路的后級(jí)輸出部分，正向串聯(lián)一個(gè)限流二極管“SF1004”；且在直流輸出端DC-OUT設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來檢測(cè)輸出的直流電壓，當(dāng)檢測(cè)到的電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，對(duì)整流電路輸出端進(jìn)行短路處理，此時(shí)取電CT停止向后級(jí)電路供應(yīng)電能，只有當(dāng)電壓回落在預(yù)設(shè)值以下時(shí)，才繼續(xù)使整流電路輸出功率供給后級(jí)電路；其中，n大于3；

所述限流二極管的作用是當(dāng)輸出直流電壓DC_OUT達(dá)到設(shè)定值使得控制信號(hào)CONT1-CONTn驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，直流輸出電壓的后級(jí)電路的電流不會(huì)反向流動(dòng)，對(duì)后級(jí)電路起到保護(hù)的作用。

所述驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電路功能的控制電路；采用檢測(cè)電路—芯片MAX931EPA檢測(cè)裝置直流輸出端的輸出電壓DC-OUT，并將其與一個(gè)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，以選擇輸出或不輸出一個(gè)高電平的控制信號(hào)CONT1-CONTn。

所述驅(qū)動(dòng)電路還包括有功率放大電路—芯片IR2110；所述功率放大電路設(shè)置在“MAX931EPA”的輸出端。

所述濾波電路通過濾波電容調(diào)節(jié)MOSFET在泄流穩(wěn)壓時(shí)的開關(guān)頻率。

所述取電CT為深圳市奧波爾技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AP38/130取能互感器；所述取電CT串聯(lián)耐壓值2000V，容量為1000uf的無極性瓷片電容作為補(bǔ)償電容組成諧振電路。

所述濾波電路采用耐壓值100V的電解電容和2KV/0.1uf的高壓瓷片電容。

所述電源電路采用金升陽公司的“URB_YMD-10WR3”系列電源模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過優(yōu)化高壓取電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)搭建外圍電路，設(shè)計(jì)出了一套體積、重量合適，可實(shí)現(xiàn)在50A的母線小電流下時(shí)最大輸出40W的功率，在母線電流較大時(shí)又能泄能以保護(hù)電路，運(yùn)行穩(wěn)定且便于安裝的可開合式高壓取電裝置。

本發(fā)明可以滿足高壓環(huán)境下無線能量傳輸設(shè)備的用電需求，從而完善了高壓環(huán)境下的供電體系，降低了高壓輸電線路上用電設(shè)備的供電成本，同時(shí)還可為各類監(jiān)測(cè)控制設(shè)備提供強(qiáng)有力的電源支持。

附圖說明

圖1為使用本發(fā)明的整體應(yīng)用場景；

圖2為使用本發(fā)明系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明高壓取電裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明取電CT間接并聯(lián)聯(lián)接示意圖；

圖5為本發(fā)明補(bǔ)償電容的連接方法；

圖6為本發(fā)明“KBPC1510”的管腳圖；

圖7為本發(fā)明電壓波形隨各個(gè)電路模塊的變化；

圖8為本發(fā)明無功補(bǔ)償和整流濾波電路的原理圖；

圖9為本發(fā)明高壓取電裝置多個(gè)CT整流輸出及穩(wěn)壓泄放電路；

圖10為本發(fā)明高壓取電裝置直流輸出濾波電路；

圖11為本發(fā)明高壓取電裝置穩(wěn)壓值設(shè)定及大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路；

圖12為本發(fā)明“MAX931”內(nèi)部比較器結(jié)構(gòu)；

圖13為本發(fā)明“MAX931”工作時(shí)序圖；

圖14為本發(fā)明高壓取電裝置電源電路；

圖15為本發(fā)明高壓取電裝置PCB圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明所述高壓取電裝置可分為感應(yīng)取電部分和整流穩(wěn)壓部分等兩個(gè)部分，系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示；感應(yīng)取電部分是指取電CT從高壓線上感應(yīng)取電，整流穩(wěn)壓部分是指將感應(yīng)取電CT取出的電進(jìn)行處理后輸出的電路板部分，這兩個(gè)部分共同組成本裝置。整流穩(wěn)壓部分包含整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路。取電CT輸出的電能先輸入整流電路整流，如圖8所示。穩(wěn)壓電路位于整流電路與輸出接口之間，用于對(duì)輸入的電壓穩(wěn)壓，防止輸出電壓過大，如圖9所示。濾波電路位于輸出接口與穩(wěn)壓電路之間，用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，如圖10所示，由圖中標(biāo)示可以看出，圖10的電路時(shí)接在圖9后面的。驅(qū)動(dòng)電路可以檢測(cè)直流輸出端的輸出電壓DC-OUT，并將其與一個(gè)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，用于控制穩(wěn)壓電路的mosfet是否導(dǎo)通，即穩(wěn)壓電路是否進(jìn)行穩(wěn)壓。電源電路用于給以上四部分電路中所使用的全部芯片提供電能。

本發(fā)明所述面向無線能量傳輸系統(tǒng)的高壓取電裝置工作原理為先通過取電CT利用電磁感應(yīng)原理從高壓輸電線路的母線上面獲取一定功率的電能，此時(shí)的電能以交流電的形式表現(xiàn)。再將這樣的電能進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓之后得到穩(wěn)定的直流輸出。該直流輸出則作為高壓取電裝置經(jīng)過感應(yīng)取電和調(diào)制后產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電源以驅(qū)動(dòng)無線能量傳輸系統(tǒng)及作為其負(fù)載的監(jiān)測(cè)裝置工作。高壓取電裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

一、取電CT的選取

本發(fā)明采用的取電CT為深圳市奧波爾技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AP38/130取能互感器。該型號(hào)CT的性能較為優(yōu)越，空載輸出電壓隨母線電流的增加而增長的速度快，并且具備輸出的空載電壓高的特點(diǎn)，當(dāng)母線電流在0-600A范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓最高可以接近90V，同時(shí)，在母線電流于50A-600A的范圍內(nèi)遞增時(shí)，該型CT的取電功率可由不到2W上升到180W以上，因此，在母線電流較大時(shí)，該型CT可以滿足大功率取電的要求。

本發(fā)明采用了多個(gè)取電CT間接并聯(lián)的設(shè)計(jì)方案，取電CT間接并聯(lián)聯(lián)接示意圖如圖4所示。該種聯(lián)接方式可以有效增加高壓取電裝置的取電功率，且由于每個(gè)取電CT都先通過整流電路，再將得到的直流輸出正向并聯(lián)在一起，所以不必考慮取電CT的安裝和聯(lián)接方向問題，比起單一CT取電具有很大的優(yōu)越性。同時(shí)，由于本發(fā)明所述的高壓取電裝置是懸掛在輸電線路上的，其重量完全由線路本身來承受。為了最大程度的避免對(duì)線路運(yùn)行安全的影響以及方便裝置上線安裝，高壓取電裝置的重量和體積需要限制在一定的合適范圍之內(nèi)。所以本發(fā)明所述高壓取電裝置在滿足功率輸出性能指標(biāo)要求的前提下，為滿足對(duì)重量和體積的要求，采用了四路CT間接并聯(lián)的設(shè)計(jì)。

為進(jìn)一步提高高壓取電裝置輸出功率，本發(fā)明針對(duì)其取電CT內(nèi)部感抗進(jìn)行了無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)，增強(qiáng)了取電CT的外圍電路特性。本發(fā)明中對(duì)高壓取電裝置取電CT進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ抢肦LC串聯(lián)電路的諧振現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)的，是將取電CT看作一個(gè)交流電壓源和電感性負(fù)載的串聯(lián)，用一個(gè)無極性的大容量電容串聯(lián)在回路中去補(bǔ)償它。補(bǔ)償電容的連接方法如圖5所示，當(dāng)此電路工作于諧振狀態(tài)下時(shí)，其回路中電壓和電流處于相同的相位，此時(shí)負(fù)載可以獲得更多的功率。根據(jù)RLC串聯(lián)諧振電路的特性，可以知道，在取電CT的輸出端串聯(lián)補(bǔ)償電容能夠抵消取電CT中的電感性阻抗，因此可以減小或消除無功功率，提高有功功率的比例，對(duì)于提高取電CT的輸出功率確實(shí)是有效的。當(dāng)補(bǔ)償電容選取合適時(shí)，取電CT的感性阻抗可以完全被補(bǔ)償，取電CT的內(nèi)阻抗僅剩電阻性阻抗，此時(shí)其輸出功率大大提高，最大輸出功率即為負(fù)載阻抗等于CT內(nèi)部電阻性阻抗的時(shí)候。同時(shí)，在使用串聯(lián)諧振電路進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，由于在補(bǔ)償電容兩端的電壓可能會(huì)高于電源電壓，所以對(duì)所選電容的耐壓值需要考慮較大的安全裕量，由實(shí)際出發(fā)，本發(fā)明選用的補(bǔ)償電容為耐壓值2000V，容量為1000uf的無極性瓷片電容。

二、整流電路的設(shè)計(jì)

本發(fā)明設(shè)計(jì)的高壓取電裝置的整流電路位于高壓取電裝置各個(gè)電路功能模塊的較前端，其前級(jí)電路只有取電CT及補(bǔ)償電容。在這樣的電路結(jié)構(gòu)下，因?yàn)槿‰奀T及其補(bǔ)償電容的串聯(lián)輸出電能具有大范圍波動(dòng)性，所以整流電路沒有進(jìn)行半控或者全控設(shè)計(jì)的條件。且由于本發(fā)明需要向無線能量傳輸設(shè)備提供大功率輸入，因此，在取電過程中，適應(yīng)的原則是有多少電能就取多少電能，取出的電能傳遞到后級(jí)電路后再由其他的電路進(jìn)行處理。所以本發(fā)明所設(shè)計(jì)的整流電路也沒有輸出電壓幅值和極性調(diào)節(jié)的必要。因此，適用于高壓取電裝置的整流電路所使用的類型為不可控整流電路。由于橋式整流電路可彌補(bǔ)半波整流的缺陷，其整流時(shí)可將交流輸入的全部周期轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的正周期或負(fù)周期，整流效率較高，故本發(fā)明采用的整流電路的電路結(jié)構(gòu)為單相橋式整流電路。本發(fā)明所采用的整流電路為ASEMI半導(dǎo)體公司的“KBPC1510”集成整流模塊，該模塊采用的是單相橋式不可控整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該電路結(jié)構(gòu)由于在高壓母線中工頻電流的正負(fù)半周期內(nèi)都會(huì)有整流輸出供給負(fù)載，所以又稱其為全波整流電路?！癒BPC1510”采用了擴(kuò)散結(jié)工藝，具有十分低的反向漏電流，工作時(shí)對(duì)交流轉(zhuǎn)直流的電能轉(zhuǎn)化效率很高，功率損耗較少，擁有良好散熱性和電氣隔離作用的金屬外殼，最高可隔離2500V的電壓，可滿足本發(fā)明所述高壓取電裝置的應(yīng)用要求?！癒BPC1510”的管腳圖如圖6所示。

本發(fā)明中，當(dāng)使用“KBPC1510”整流模塊對(duì)取電CT的交流輸出進(jìn)行整流時(shí)，需要對(duì)整流輸出端并聯(lián)電容進(jìn)行濾波，以使輸出電壓平穩(wěn)。高壓取電裝置取電CT的電壓波形隨各個(gè)電路模塊的變化如下圖7所示。根據(jù)本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)選擇和元器件選型，可以設(shè)計(jì)出高壓取電裝置關(guān)于其多個(gè)取電CT的后級(jí)無功補(bǔ)償和整流濾波電路的原理圖如圖8所示。

三、穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

本發(fā)明所述的高壓取電裝置作為一個(gè)取能裝置，其電能僅來源于高壓輸電線路上的電流。而母線電流的大小是隨線路所帶負(fù)載決定的，不由高壓取電裝置本身所決定，所以高壓取電裝置時(shí)常會(huì)遇到取電功率不足以支持后級(jí)電路工作或取電功率過高威脅后級(jí)電路安全工作等問題。因此本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路重點(diǎn)解決高壓取電裝置在取電功率過高的情況下對(duì)多余能量的泄放問題。本發(fā)明設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)了在高壓母線能量過量的情況下，能遏制住高壓取電裝置直流輸出的功率，保持住一定的電壓輸出；在高壓母線能量不足的情況下，穩(wěn)壓電路不工作，不影響裝置的正常取電。

根據(jù)圖8所示的高壓取電裝置多個(gè)取電CT的直流輸出原理圖，本發(fā)明在設(shè)計(jì)高壓取電裝置的穩(wěn)壓電路式，在高壓取電裝置的直流輸出端DC設(shè)置了一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)來檢測(cè)輸出的直流電壓，當(dāng)檢測(cè)到的電壓達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，則對(duì)整流電路輸出端進(jìn)行短路處理，此時(shí)取電CT停止向后級(jí)電路供應(yīng)電能。只有當(dāng)電壓回落在預(yù)設(shè)值以下時(shí)，才繼續(xù)使整流電路輸出功率供給后級(jí)電路。再通過充分考慮元器件的耗散功率、電壓電流工作范圍、工作溫度限制以及相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路的控制驅(qū)動(dòng)能力等相關(guān)電氣參數(shù)，設(shè)計(jì)出相關(guān)的穩(wěn)壓泄放電路。由此實(shí)現(xiàn)高壓取電裝置在高壓母線小電流情況下的不間斷供能和電流過大時(shí)的穩(wěn)壓限能作用。設(shè)計(jì)出的關(guān)于高壓取電裝置穩(wěn)壓電路的各部分電路原理圖如圖9所示。圖9所示的加入了穩(wěn)壓泄放電路設(shè)計(jì)后的原理圖中，本發(fā)明設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路功能的實(shí)現(xiàn)依靠的是大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”和200W、1Ω的金屬電阻形成的泄流支路，在泄放支路的后級(jí)輸出部分，需要正向串聯(lián)一個(gè)限流二極管“SF1004”。此二極管的作用是當(dāng)輸出直流電壓DC_OUT達(dá)到某設(shè)定值使得控制信號(hào)CONT1-CONTn驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，直流輸出電壓的后級(jí)電路的電流不會(huì)反向流動(dòng)，對(duì)后級(jí)電路起到一個(gè)保護(hù)的作用。

其中，由對(duì)于“CSD19501KCS-80V”而言，其門電荷總數(shù)Q_g(Gate Charge Total)和柵極-漏極電荷數(shù)Q_gd(Gate Charge Gate-to-Drain)極低，在常溫25℃下時(shí)，Q_g＝38nC、Q_gd＝5.8nC，這意味著其開關(guān)損耗會(huì)非常低，內(nèi)阻隨溫度變化的參數(shù)漂移也極低，漏源電壓V_DS(Drain-to-Source Voltage)最高可達(dá)80V，漏源電阻R_DS(Drain-to-Source On-Resistance)最大僅為6.2mΩ，門極驅(qū)動(dòng)電壓為2.6V，耗散功率為217W，工作溫度范圍為-55℃至175℃。

將大功率MOSFET“CSD19501KCS-80V”的參數(shù)性能指標(biāo)與其前級(jí)整流電路“KBPC1510”的輸入輸出特性進(jìn)行綜合考慮，可以得出，該MOSFET的漏源級(jí)之間的耐壓值80V遠(yuǎn)超過整流電路可能輸出的最大電壓。而作為泄能回路中的器件，其漏源電阻R_DS相對(duì)其它功率MOSFET來說足夠小，而217W的功率也能滿足要求，因此此MOSFET的選型可以認(rèn)為能滿足本發(fā)明的要求?？紤]到實(shí)際泄放的電能可能會(huì)超過217W，在本發(fā)明的實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，采用將多個(gè)“CSD19501KCS-80V”并聯(lián)使用并加上散熱架，再與一個(gè)大功率的限流電阻串聯(lián)的設(shè)計(jì)，可使其長期工作時(shí)溫度不超過額定范圍。

而對(duì)于限流二極管“SF1004”來說，“SF1004”的最大重復(fù)峰值反向電壓和最大支流阻斷電壓均為200V，最大平均正向電流為10A，導(dǎo)通壓降為0.95V。由此可見，“SF1004”可以滿足本發(fā)明的要求。

四、濾波電路的設(shè)計(jì)

如圖10所示的濾波電路設(shè)計(jì)主要功能是為了消除整流電路“KBPC1510”輸出中的高次諧波，使直流輸出平穩(wěn)。此時(shí)的濾波策略為大容量的電解電容和反應(yīng)速度更快但容量小的瓷片電容一起組合使用。由于濾波電容的高壓側(cè)為整流電路輸出的電壓，對(duì)于電解電容選型應(yīng)選擇耐壓值100V的，而對(duì)于瓷片電容來說，直接選擇2KV/0.1uf的高壓瓷片電容即可。

而在高壓取電裝置設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路之后，圖10所示的濾波電路同時(shí)還可以調(diào)節(jié)MOSFET在泄流穩(wěn)壓時(shí)的開關(guān)頻率，從而緩解MOSFET泄流穩(wěn)壓時(shí)的發(fā)熱問題。圖10中的電容實(shí)際上是組成了一個(gè)被稱為濾波器的電路，根據(jù)濾波器的濾波原理，濾波電容的容值越大，MOSFET在泄流穩(wěn)壓時(shí)的開關(guān)頻率越低，發(fā)熱問題越能得到緩解。因此，濾波電容在某種程度上選的越大越好。

同時(shí)，濾波電容的選擇經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)，可以滿足系統(tǒng)工作要求。

五、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

如圖11所示的電路為高壓取電裝置能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)壓功能的關(guān)鍵控制電路。其中，“MAX931EPA”的主要功能為檢測(cè)高壓取電裝置直流輸出端的輸出電壓DC-OUT，并將其與一個(gè)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，從而選擇輸出或不輸出一個(gè)高電平的控制信號(hào)。

其具體的工作原理為將高壓取電裝置直流穩(wěn)壓電路輸出的直流輸出電壓DC-OUT引入到一個(gè)有電阻R1和電阻R2的回路中。經(jīng)過設(shè)置R1和R2的具體參數(shù)，可在其電氣聯(lián)接點(diǎn)處得到一個(gè)分壓后的電壓值，設(shè)為V_IN+，然后將V_IN+接入到芯片的第三管腳中。此時(shí)由芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)即可以將V_IN+與芯片第四管腳中給定的1.182V電壓值進(jìn)行比較，從而決定第八管腳的輸出端口具體輸出高電平或低電平?！癕AX931EPA”的第3、4、8管腳在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中為一個(gè)比較器的兩個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口，如圖12所示。另外，可以對(duì)“MAX931EPA”的芯片功能進(jìn)行更深度的利用，通過設(shè)置電阻R4和R5的參數(shù)，可以設(shè)置其比較器輸出的具體帶寬。

設(shè)置其比較器輸出的具體帶寬的方法為將芯片的第六管腳與第四管腳短接，即第六管腳中的V_REF＝1.182V，然后就其引入到R4和R5的串聯(lián)回路中。此時(shí)兩個(gè)電阻間的電氣連接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分壓后的電壓值，設(shè)為V_HYST，將此電壓引入到芯片的HYST管腳中。則此時(shí)芯片輸出帶寬的大小為(V_REF-V_HYST)*2。

此時(shí)對(duì)于芯片的IN+和IN-輸入來說，其與輸出OUT的時(shí)序圖如下圖13所示。又由“MAX931EPA”的元器件資料可以知道，其芯片輸出腳OUT的最大輸出電流為50mA，輸出電壓范圍為-0.3V至5.3V。而驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要一定的功率，驅(qū)動(dòng)電流的大小通常為安級(jí)，若想同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)MOSFET，則“MAX931EPA”的輸出驅(qū)動(dòng)能力不足，此時(shí)，需要在其輸出端接入功率放大電路。

由圖11可知，此時(shí)用IR2110芯片作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率放大電路。由其元器件資料可以知道，其在正常工作時(shí)，輸出電流為2A，輸出電壓在10V-20V之間，完全滿足驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力。

而此時(shí)在芯片IR2110的1號(hào)管腳處與電阻反向并聯(lián)的二極管“BYV27-50”的作用是當(dāng)控制信號(hào)輸出低電平時(shí)，可以更快的拉低MOSFET的門級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而快速關(guān)斷MOSFET?？紤]到在穩(wěn)壓的過程中，MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的頻率可能較大，此時(shí)二極管也應(yīng)該選擇有較快反向恢復(fù)時(shí)間的快速二極管。而通過查詢“BYV27-50”的元器件資料可知，其反向恢復(fù)時(shí)間t_rr(reverse recovery time)為25ns，比較其他各類二極管而言，速度屬于極快。

六、電源電路的設(shè)計(jì)

本發(fā)明所述高壓取電裝置在使用四條取電CT的支路并聯(lián)輸出并對(duì)其進(jìn)行無功補(bǔ)償后，可以在母線電流為50A的情況下輸出40W以上的功率，滿足性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。并參照?qǐng)D11的原理圖，此時(shí)電路中需要電源供電的芯片有1片“MAX931EPA”和4片“IR2110”。而一片“MAX931EPA”芯片滿負(fù)荷工作時(shí)的能耗大約在727mW，一片“IR2110”的能耗則在1.6W。因此，高壓取電裝置的所有集成芯片總共耗能約為1.6*4+0.727＝7.127W。于是，考慮一定的功率裕量，選擇10W及以上的電源模塊對(duì)整體電路進(jìn)行供電可以滿足功能設(shè)計(jì)要求。

又因?yàn)殡娫茨K的輸入電能來源于經(jīng)整流之后的輸出，其電壓特點(diǎn)具有較大的波動(dòng)性。由前文對(duì)取電CT的負(fù)載實(shí)驗(yàn)可知，其輸出電壓在母線電流為600A時(shí)也僅為40V，即電源模塊的輸入電壓在0-40V內(nèi)波動(dòng)。由此，將電源模塊選型為金升陽公司的“URB_YMD-10WR3”系列，該系列電源模塊的特點(diǎn)為電源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)88％，輸出功率為10W，空載能耗僅為0.12W，可在18V-75V的寬輸入內(nèi)輸出電路所需的5V、12V電源。根據(jù)所選電源模塊，設(shè)計(jì)出高壓取電裝置的電源電路如下圖14所示。

七、電路板的制作

本發(fā)明使用Altium Designer 14.2，將所有高壓取電裝置的電路原理圖根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)的PCB電路板，電路尺寸為300mm*175mm，如圖15所示。