高压储能电容测试平台的设计

董雪峰，桑亚辉，李小亮，张具琴，吴显鼎

（黄河科技学院，河南 郑州 450063）

0 引 言

高压储能电容属于我国工业与信息化部“十二五”规划重点发展的新型元器件，产品技术含量高，具有先进性和高可靠性的特点。高压储能电容器是高压储能系统中的重要器件，在电力工业、国防工业及其他高新技术领域具有广泛的应用。随着高压储能电容生产工艺和技术的逐渐成熟，国内外很多超级电容生产企业正积极进行融资扩产，产能逐渐增加；因此，对高压储能电容的质量检测和性能测试已成为制约该新型产业发展的瓶颈之一。本设计平台正是为解决高压储能电容器生产企业对其产品测试的性能需求而提出的。

1 测试平台设计思路与系统构建

测试平台系统结构如图1所示，主要由充电电源、测试平台线路和系统控制器组成，完成对测试电容的充、放电控制，充电电压、充电电流、放电电流的设定和检测，质量试验周期的设定和试验循环的控制以及故障的检测和判断。

电容器的充电主要有恒压充电和恒流充电两种方式。由于恒压充电使得测试电容提前进入耐压状态，从而人为地减少了测试电容的寿命。而恒流充电过程中，测试电容的端电压线性增加，克服了恒压充电的缺点；因此，本系统中的充电电源采用恒流的充电方案实现，电路结构如图2所示[1]，主要由桥式整流、逆变开关、谐振电路LC、升压变压器TX和高压整流桥等组成。采用这一方案的另一个优点是可实现用系统控制器对充电电源的完全控制。这种控制表现在两方面，一方面可实现对充电电源充电电压和充电电流的控制，另一方面可实现对充电电源工作状态的控制。高压储能电容测试平台运行过程中，系统监测到放电电流达不到设定值或出现其他故障时，控制器将发出指令，控制充电电源中止工作，切断充电电源的供电；同时对测试电容进行放电，然后测试人员进行现场处置，从而确保测试人员的安全[2-3]。

图1 系统结构框图

图2 恒流充电电源结构框图

2 系统控制模块设计

系统控制器模块由FPGA和外部控制电路组成，主要完成对充电电压、放电电流信号的采样，控制逻辑的算法处理和外部控制，对恒流充电电源的控制以及对测试平台参数设置的控制和显示等功能。系统控制器模块的顶层设计结构如图3所示[4-5]。

测试平台运行时，由操作人员在控制台设置充电电源的充电电压和充电电流，通过切换功能键CNT/TIME和键盘来设置质量试验和耐压试验的基本参数，如重复周期、放电电流等。参数设置完毕后，操作人员发出质量试验Q或耐压试验V命令，然后控制器控制充电电源开始工作，完成测试电容的质量测试和耐压测试试验。

图3 系统控制器模块顶层设计图

测试平台系统充分利用了FPGA的强大功能，将键盘接口电路、LED数码显示接口电路、锁相环电路、模数转换控制器电路等都构建在其内部，使整个系统电路结构简单，连线明了。由于采用FPGA作为控制器，因此可以很容易通过修改FPGA的内部结构来实现对测试平台的功能扩展和更新，从而使得该测试平台具有对系列产品测试的通用性。图4为该系统软件设计的总体流程。

图4 系统软件设计总体流程

质量测试模块的仿真波形如图5所示。质量试验启动信号Q发出后，K0置高，真空开关K0闭合，然后充电电源启动信号START控制电源启动，开始对测试电容充电，充电过程中，由电压采样信号D（A/D转换）判断电容是否充电到8000V。当充电到8 000 V后，K0置低电平，真空开关K0断开，延时开关“延时分断时间”后，控制器控制K1置高，真空开关K1闭合，测试电容开始放电，同时启动峰值检波电路采样放电电流的最大峰值。如果放电电流峰值达到8 000 V，则峰值检测信号PEAK置高，然后控制器控制发出峰值检波电路的放电信号F，直到充、放电周期信号C1信号到来，则控制器控制K1断开，然后进行下一周期的实验测试。

图5 质量测试模块的仿真波形

图6 放电电流波形

3 放电主回路设计

放电主回路的电路如图1所示，由高压真空开关K1和K2、放电电阻R1以及分流器FL和充电电源等构成。高压真空开关具有噪音小、使用寿命长、安全、可频繁操作等优势，其触发方式采用固态继电器间接触发，触发信号由系统控制器根据控制逻辑发出，经光隔离后实现充、放电控制[6-8]。

放电回路中的放电电阻R和电感L均可调整，用来改变放电电流的波形和大小。本系统设计的测试平台是按某企业的特殊要求定制的，因此在设计放电回路时没有采用电感，放电电阻则根据放电电流的大小用康铜丝自制，利用回路的寄生电感实现电路的阻尼放电。图6所示为试品电容放电的电流波形图。

放电电流采集主要有电流互感器和分流器等。电流互感器在测量过程中，当放电电流快速、成倍增加时，互感器的铁心将趋于饱和，励磁电流将急剧增加，从而引起变比误差迅速增加，影响测量精度。分流器采用锰、镍、铜合金带直接冲压制成，具有温度系数和热电势小、电阻线性度好和误差小的特点，可以实现对放电电流进行大动态、高精度和高分辨率的测量。分流器采集的电流信号经信号调理后，由峰值检波电路取出放电电流的最大值，送给系统核心控制器；控制器根据该测量值和系统控制逻辑算法判断工作状态，发出相应的控制指令。

4 结束语

本文根据高压储能电容生产企业的基本需求进行设计，并研制了高压储能电容测试平台，可以针对高压储能电容不同规格的系列产品进行不同电压和放电电流的重复放电试验与产品检测。该测试平台的核心控制器采用基于可编程的FPGA器件进行开发，采用自顶向下的设计方法，利用其强大的逻辑设计和仿真测试技术，提高了系统设计的自动化程度和可靠性。同时，采用EDA技术开发系统的另一个优点是使得测试平台具有通用性，即随着企业产品的不断升级，可通过修改测试平台的软件控制算法来随时更新测试平台的控制逻辑算法和控制功能，以适应新产品质量检测和耐压检测的需要。该测试平台已在企业生产中使用，效果良好。

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