基于平面变压器的高电压隔离变送器的设计与测试

郭志奇 管怀军

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司， 100037， 北京； 2.上海浦东和普电子有限公司， 200126， 上海∥第一作者， 高级工程师)

大直流电流检测技术已广泛应用于工业生产和科学研究，如直流高压输电、金属电解、机车牵引、电动汽车、新能源及核动力和高能物理等领域[1]。现阶段，大直流电流测量主要分为接触式测量(如测量被测电流在已知电阻上电压降的分流器)、非接触式测量[2](如直流电流互感器、罗氏线圈、光学电流传感器、霍尔电流传感器等检测被测电流建立的磁场)。

由于霍尔传感器技术在应用中存在易受环境影响、测量性能不稳定、抗干扰性能差、存在零点漂移、成本较高等诸多问题，尚未达到轨道交通直流电流测量性能的要求；光电隔离放大装置单级隔离电压有限，无法满足系统隔离耐压要求；电磁隔离变压器由于漏感的存在，无法同时满足响应时间、隔离耐压、测量精度的要求。而实践证明，目前分流器是更适合于地铁大直流电流测量的简单可靠方案。

轨道交通牵引供电高电压隔离变送器工作在直流母线附近，这种强磁场线圈电磁工作环境较恶劣，这就必然要求数据采集和传输具有较强的抗干扰能力。基于我国轨道交通牵引供电系统的特殊性，如地铁牵引系统要求隔离耐压在AC 15 kV以上，高压大功率系统中存在高共模电压信号。长期以来，由于核心技术由国外公司掌握，国内轨道交通牵引供电直流开关设备(包括配套的隔离变送器)主要依赖于进口，运行维护成本随年限的增加而大幅增长，我国轨道交通设备国产化需求迫切。

高隔离变送器具有采用电磁隔离式PWM(脉冲宽度调制)电路中传递脉宽信号的特点，使得传输准确度几乎不受采用变压传递时有漏感的影响，适合高隔离监测场合。

本文利用磁耦合技术，将大电流高电压端的采样信号隔离成为低电压小电流信号，利用输入信号的幅度控制PWM脉冲的信号宽度，将平面变压器技术与感应式电能传输技术相结合，经互感器转换输出，设计了一款高电压隔离变送器。该变送器具有体积紧凑、高隔离电压、高测量精度、高响应速度、高可靠性等特点，其指标达到我国轨道交通牵引供电系统直流测量应用的要求。

1 设计原理

用PWM技术进行信号转换，通过改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压，通过与耦合互感器结合，可获得高隔离电压，且传输信号不受漏感影响，非常适合高隔离、高精度的电压、电流检测场合。在设计时将PWM技术与耦合互感器技术结合，设计了符合国家标准GB/T 25890.7—2010要求的高电压隔离变送器。

而将基于平板变压器技术的耦合互感器应用在PWM技术进行信号转换的隔离电路中时，MCU(微控制单元)通过控制程控放大器的增益、零点及闭环PWM电路的电源调节，实现隔离变送器指标Offset≤2 mV，Gain error≤0.1%；PWM信号进入PCB(印刷电路板)内嵌高隔离互感器电磁转换后，送到PWM解调电路转换成幅度信号，最后经过电压、电流放大电路输出，解决了上述PWM信号的零点和增益的精确度及电磁干扰问题。

经过试验及实际应用测试，所设计的高电压隔离变送器脉冲宽度与输入电压Ui成正比(如图1所示)，其线性度满足强磁场环境和超量程下短路电流工况的测量要求。

本文设计的高电压隔离变送器，基于高隔离PCB内嵌互感器技术，将平面变压器技术与感应式电能传输技术相结合,将互感器完全整合在印刷电路板内，提高了能量密度，减小了互感器的体积，可以准确地控制电参数。

初级线圈和次级线圈为具有相同谐振频率、匝数比为1∶1的自谐振线圈。设计双层蜗状螺旋线圈如图2所示。

图1 脉冲宽度和输入电压Ui成正比例

图2 高隔离PCB内嵌磁耦合互感器结构图

采用PCB工艺，通过仿真计算，调整了线圈尺寸、匝数、线间距、宽度与厚度、基板厚度等参数，线圈自谐振频率精确且稳定。PCB的接地屏蔽层可有效抑制辐射噪声对电路的干扰。

与传统变压器相比，平板变压器采用小尺寸的E型高频功率铁氧体磁芯，绕组采用多层印制板叠绕而成，具有较低的直流铜阻和低的漏感。平板变压器PCB线圈上下均有接地屏蔽层进行全屏蔽，可减小对变送器传输信号的干扰，达到电磁兼容性要求。

基于上述高隔离PCB内嵌互感器结构，设计的HVT10000隔离变送器工作原理如图3所示。首先利用电阻网络进行电流分流信号采集，经放大电路，用于PWM电路输出信号的幅度控制；然后经过耦合互感器，PWM电路将信号转换成包络信号，经放大电路输出。

信号隔离电路设计流程如图4所示，其由MCU控制电路、输入信号程控放大器、PWM脉宽和幅度程控电路、耦合互感器、PWM解调电路、线性积分电路、输出放大器等组成。通过MCU控制程控放大器的增益、零点、PWM幅度和脉宽，实现对输入增益和零点控制。

说到做到，杰克马上开始收拾行囊，苏婷婷站在一边，束着手，拿不定主意。杰克说：我先到机场，你回去拿了东西就来。苏婷婷犹豫地：杰克，我总觉得咱这样不好。杰克兴奋地：你不觉得这样很刺激吗？跟美国大片一样。苏婷婷低下头：是很刺激，可我爸妈要生气的。杰克：咱下飞机就打电话跟爸妈道歉。好了，婷婷，咱们的浪漫之旅就要开始了，你要高兴点才对。

图3 隔离变送器工作原理图

图4 硬件电路设计流程图

同样采用上述PCB内嵌互感器结构，设计的高隔离电源电路结构如图5所示。输入端供电电压经整流电路、PWM电路、平面变压器、整流滤波电路，产生高精度的线性稳压电源后，为信号输入电路和信号输出电路供电。

图5 隔离电源设计构架图

采用的隔离平面变压器体积紧凑，实现了电源电路的高压隔离，输出多绕组结构分别输出±5 V、±15 V电压。变压器使用铁氧体磁芯灌封在绝缘壳内，满足高耐压要求。绝缘测试表明，其绝缘性能达到20 kV以上。

电路采用单片机控制PWM方波信号0点与占空比，通过调节运放U1的输出控制三角波与反相器正负门限电压的交点位置，实现对PWM波占空比的调节。电路设计如图6所示，PWM波的占空比与VIN、VF、VCC相关。PWM波电路供电电压VCC为V+和V-的电压差。VCC调节的精度取决于单片机晶振的振荡频率和频率精确度，且不依赖三角波边沿的线性度，对元器件参数的容差能力强。

图6 PWM调制解调电路

2 抗干扰措施与设计

隔离变送器工作在轨道交通牵引直流供电母线附近，这种环境必然要求数据采集和传输具有较强的抗干扰能力。为满足地铁牵引系统AC 15 kV以上隔离耐压的要求，利用平板变压器和PCB内嵌互感器进行信号隔离，增加接地屏蔽层，减少辐射噪声的影响。输入端采用低噪声差分放大设计，抑制高压大功率系统中存在的高共模电压信号，通过电路板合理布局提高电路的抗干扰性能。采用禁用单片机通讯端口，设计单片机I/O(输入/输出)口滤波。整机采用低功耗设计，采用核心的两级串联稳压技术，通过单片机产生调节的信号使开关稳压电路输出稳定的直流电压，降低线性稳压电路的功耗；其他器件也均采用低功耗器件，电源输入端采用低通滤波器，将开关电源产生的高次谐波成分滤除，以提高装置的稳定度，进一步适合高隔离监测场合。

3 测试结果与分析

3.1 温度系数

该高隔离变送器的关键器件均采用低温度系数的器件。该产品具有良好的温度系数，温度系数≤50×10-6℃-1。隔离变送器输出电流与环境温度的关系图如图7所示。

图7 隔离变送器输出电流与环境温度的关系图

3.2 共模截止

该高隔离变送器具有良好的共模抑制比(CMRR)性能，在直流电压输入时，CMRR≥150 dB；交流50 Hz电信号输入时，CMRR≥120 dB；瞬态电压输入时，T-CMRR≥115 dB(1 000 V，tr=1 μs)，如图8所示。

图8 隔离变送器CMRR性能对比

3.3 零点特性

该高隔离变送器选用低零点漂移的器件和精准控制PWM电路电源的参考地电平，控制整机的零点偏移≤5 mV。

3.4 响应时间

该高隔离变送器在满足可靠性的基础上，经过反复试验验证可控制整机响应时间≤110 μs。

3.5 传导发射和敷设发射试验

传导发射和辐射发射试验数据如表1所示。隔离变送器传导发射试验频谱如图9所示。隔离变送器敷设发射试验频谱如图10所示。

表1 传导发射和辐射发射试验

图9 隔离变送器传导发射试验频谱图

图10 隔离变送器敷设发射试验频谱图

图11为隔离变送器外观图，该模块已顺利通过权威实验室的电磁兼容及功能性试验，目前已经在地铁线路中应用。

测试参数与国外产品主要技术参数对比情况如表2所示。由表2可见，本设计产品达到并超过国际同类产品水平。

表2 高压隔离变送器主要技术参数对比表

图11 隔离变送器外观图

4 结语

本文分析了目前轨道交通直流牵引供电系统直流测量的现状，并以电磁兼容为出发点，提出了一种PWM调制解调的互感器用于高电压电磁隔离的方法。所研制的基于脉冲幅度调制技术的隔离变送器，具有高精度、高隔离电压、高可靠性的优点。测试表明，该隔离变送器承受AC/DC的永久性电压最高达3 600 V，快速瞬态电压达AC 20 kV，满足EN 61140标准在输入输出和电源间实施保护性隔离，适用于DC 3 000 V的直流轨道系统。输入输出和电源之间的隔离电压、截止频率、测量误差、温度系数、失调、纹波等核心参数均优于国际知名品牌的产品，满足直流牵引供电系统保护测量的要求。该隔离变送器已通过国家电气检测中心性能及电磁兼容试验，指标均达到或超过国外同类产品，目前已在地铁线路及直流输配电工程中批量使用。应用实践表明，该设计产品适合最高DC 3 000 V的直流轨道系统。该产品也可应用于工业直流配电、船舶军舰推进系统直流配电等直流配电领域。