基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法

1、基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法基于线性光耦的强隔离直流电压检溺 -方法电工电气 (2009No.11)检验与测试 .基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法郑良广 ,倪喜军,闫安心 ,赵剑锋(东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心 ,江苏南京 210096)摘要 :介绍了高精度线性光耦 HCNR201 的工作原理 .提出了基于线性光耦的直流 电压检测方法及其硬件电路 ,该检测电路具有较强的电气隔离特性 .给出了基于该电路的试验结 果,运用最佳平方逼近原理对实验数据进行分析 ,证明了该直流电压检测方法的线性度好,精确度高.关键词:HCNR201芯片;直流电压;检测方法；电气隔离 中图分类号：T

2、M930.12文献标识码:A文章编号：HighIsolatedDCVoltageDetectingTechniqueBasedonLinearOptocouplerZHENGLiangguang,NIXi-jun,YANAn xin,ZHAOJian feng(snT0一ControlEngineeringCenteroftheMinistofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210 096.China)Abstract:Introductionwasmadetotheworkingprincipleofahighaccuracylinearoptoco

3、upler,HCNR201.ADCvoltagedetecting techniqueanditshardwarecircuitbasedonthelinearoptocouplerwereproposed.Thedetecti ngcircuitwasinpossessionofhighelec tricalisolatedcharacteristics.Thispapergavetheexperimentalresultsbasedonthecircuitand analyzedtheexperimentaldatawiththe principleofoptimumapproximati

4、oninquadraticnorm.TheresultsprovethatthisDCvoltagedetectingtechniqueiswithhighlinear-ityandaccuracy.Keywords:HCNR201;DCvoltage;detectingtechnique;electricalisolation 0 引言随着电力电子技术的快速发展 ,电力电子设备 被大量应用到电气化铁路牵引 ,工业生产中电力传 动,柔性直流输电，UPS航空电源，变频调速，风 力发电 , 光伏发电等领域中 .在这些电力电子设备 中,经常需要将储能设备的直流电压信号采集到控 制系统 .使用霍尔电压

5、传感器来实现直流电压的隔 离和转换是常用方法 ,但国外生产的高性能电压传 感器件的造价较高 ,而国产传感器在转换精度和电 气隔离等性能上比较欠缺 ,并且价格也不低 .种性价比较高的直流电压检测方法就是使用 线性光耦转换电路 ,由于线性光耦输入端和输出端 是通过光耦进行耦合的 ,并且芯片本身的电气隔离 性能比较可靠 ,因此不仅能够实现直流电压的高精 度检测 ,而且不会将强电侧电磁干扰耦合到控制系 统,从而实现直流电压侧和控制系统的高强度电气 隔离 .要实现线性光耦的电气隔离功能 ,必须保证光 耦输入输出侧的电源是隔离的 ,目前的应用电路多 数使用 DCDC 电源隔离芯片来为线性光耦两侧提供 电源

6、,但在直流电压较高的情况下 DcDC 电源隔 离性能会受很大影响 ,从而使得线性光耦两侧的电 气隔离性能下降 .本文提出了一种新的输入侧电源 供电方案 ,使得线性光耦两侧能够实现高强度电气 隔离,电路中使用了 HP公司的高精度线性模拟光耦器件HCNR201.本文对新的检测电路及其工作原理基金项目 :江苏省科技支撑项目 （BE2008072）作者简介 :郑良广 （1982 一）,硕士研究乍 ,研究方向为电力电子在电力系统中的应 用:倪喜（1982一）,男,博士研究生 ,研究方向为电力电子在电力系统中的应用 : 闫安心（1 984一）,硕士研究生 ,研究方向为电力系统及其自动化 ;赵剑锋（ 1 9

7、72一）,教授,研究方向为电力系统及其自动化 ,电能质量监测和优化等53电工电气（2009No.11基于线性光耦的强隔离直流电压检灏方法 进行分析 ,并通过实验证明了此方法的精确性 .1HCNR201 的构成和工作原理线性光耦 HCNR201 是美国 HP 公司推出的高精度线性光耦 ,具有低成本 ,高线性度,高稳定度 ,频 带宽,设计灵活的优点 ,通过外接不同的分立器 件,可以实现多种光电隔离转换电路 .HCNR201 是 由 1 个高性 A1GaAs 型发光二极管和 2 个同型号光敏 二极管PD1,PD2构成.输入信号经过电压一电流转化 ,电压的变化体 现在发光二极管的电流上 ,光敏二极管的

8、电流 /PD1 和基本与成线性关系 ,线性系数分别记为 和,即满足以下关系 :IPD1=1 X IF/PD2=X ,F（2）r（3）PD2与一般很小 （HCNR20l 是 0.48%）,并且随温度变化较小 (HCNR201 的变化范围在 0.36%0.72%之 间 ),但芯片的设计使得和相等 .在合理的外围 电路设计中 ,真正影响输出 /输入比值的是 (即传 输增益 ),每只线性光耦输出侧光电流 ,和输入侧 光电流之比都是一个恒定值 (约为 15%).正 是利用这种特性 ,线性光耦才能达到满意的线性 度.2 直流电压检测电路设计 直流分压和隔离电源电路如图 1 所示,通过分 压电阻 ,和(均使

9、用 0.1%的高精度电阻 ),将0400V的直流电压转换为010V的弱电信号.将输入直流电压通过限流电阻加载到稳压 管 Z 两端,并在 z 两端并联滤波电容 ,就可以得到个稳定的直流电源期(电压约为I2V).此电源作 为运放 U 及线性光耦输入侧的供电电源 ,它是完全 与控制电路隔离的 ,因此直流电压检测电路两侧只 有光路耦合 ,实现了直流电压侧与控制系统的完全 电气隔离 ,从而避免了直流电压侧电磁干扰传导到 控制电路 ,增强了控制电路的可靠性 .图 1 且流分 /土和隔尚电源电蛤 直流电压线性转换电路如图 2 所示,.为转换 过后的直流电压信号 ,整个检测电路满足如下关系 %0HX ()Ud

10、cI.(5)dc(6)联立公式 (1)(6)求解得到直流电压的如下转换关系:()X鲁X百dcI检测电路实验结果分析图 2 直流电压线性转换电路本实验设计的直流电压检测范围为：0400V,54 可调直流电源由图 3 所示的整流电路产生 ,通过 改变可调电源的输入电压来调节直流电压 .的幅 值.(2009No.11)基于线性光耦的强隔离直流电匮检方法电工电气 可R：DD.R.=DDD图 3 可调直流电压源电路实验电路中取6=1.2kQ,使得HCNR201的F约为典型值 l0mA. 其它电路参数为 =93lkQ,R3=47kQ,R5=7=150kQ,稳压管工作电压c约为12V.可以计算得此电路输出电

11、压理论值满足以下 关系：度为：十三 151 X .%=.4%acH()+()直流电压输入 .和输出 .线性转换拟合曲线 如图 4 所示.lO8>6J42E=0.02462 1X (8)4结语此检测电路的实验数据如表 l 所示 .表 1 直流电压检测电路实验数据 v 由于直流电压输入 ()和输出 ()满足线性 关系 ,根据离散数据的最佳平方逼近原理 ,设拟合 函数为 (令:州 ,y:):y=a0+alX(9)则取 .(X)-1,(X)X, 得到法方程组 :刀 0a,x (ca,j)=(,)(10) 其中i=0,1,将表1中数据带入公式(10),可以求得 ao=1.2e 4,a仁0.0246

12、56则0.024656X.联立公式 (8),计算可得 HCNR201 的传输增 益:0.9986.本实验中线性光祸 HCNR201 的线性 rjjI.耳寅立安01OO200300400500【1/V图 4 直流电压线性转换拟合曲线 本文提出了一种基于线性光耦 HCNR201 的直流 电压检测方法 ,并根据此方法搭建了相应实验电 路.通过运用最佳平方逼近原理对实验数据进行分 析,证明了本文提出的直流电压检测方法具有较高 的检测精度 ,并且由于 HCNR201 输入侧芯片供电电 源是通过储能设备的直流电压变换得到的 ,与控制 系统是电气隔离的 ,因而直流电压侧的电磁干扰不 可能通过此检测电路耦合到控制系统 ,从而提高了 检测电路和控制系统的可靠性 .参考文献1 谭颖琦 ,范大鹏 ,陶溢.基于线性光耦 HCNR200 的 DSP采集电路设计与实现J.电测与仪表,2006, 43(6):46-48.2 涂海燕,涂源钊.高压隔离线性光耦 TIL300 放大电路 设计J.单片机与嵌入式系统应用，2002(1):747