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1、基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法电工电气(2009 No.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：TM930.12文献标识码：A文章编号：1007-3175(200
2、9)11-0053-03 High Isolated DC Voltage Detecti ng Tech niqueBased on Lin ear OptocouplerZHENG Liang-guang, NI Xi-jun, YAN An-xin, ZHAO Jian-feng(Servo-Control Engineering Center of the Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract: In troductio n was made to the worki ng
3、 prin ciple of a high-accuracy lin ear optocoupler, HCNR201. A DC voltage detect ing tech nique and its hardware circuit based on the lin ear optocoupler were proposed. The detect ing circuit was in possessi on of high elec-trical isolated characteristics. This paper gave the experimental results ba
4、sed on the circuit and analyzed the experimental data with the principle of optimum approximation in quadratic norm. The results prove that this DC voltage detecting tech nique is with high lin ear-ity and accuracy.Key words: HCNR201; DC voltage; detecting technique; electrical isolation0引言随着电力电子技术的
5、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。一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
6、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DC-DC电源隔离芯片来为线性光耦两侧提供电源1-3， 但在直流电压较高的情况下 DC-DC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-)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子在电力
7、系统中 的应用；倪喜军(1982-)，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(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化； 赵剑锋(1972-)，男，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。534洛诙1%CATH1NCAM1NCCATH： CATH3AN2AN3PHCNRSOI-4+12 v亍AGND8(2009 No.11)基于线性光耦的强隔离直流电压检测方法电工电气进行分析，并通过实验证明了此方法的精确性。 压电阻R1、R2和R3（均使用0.1%的高精度电阻），将0400V的直流电压UdcH 转换为010V的弱电信号1 HCNR2
8、01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个高性能AIGaAs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-电流转化，电压的变化体现在发光二极管的电流IF上，光敏二极管的电流UdcL。将输入直流电压通过限流电阻 R4加载到稳压管Z1两端，并在Z1两端并 联滤波电容，就可以得到一个稳定的直流电源 VCC1（电压约为12V）。此电源作 为运放U1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
9、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。IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为 K1和K2，即满足以下关 系：（1）IPD1=K1 >IF IPD2=K2X|FIK3=PD1IPD2图1直流分压和隔离电源电路K1与K2 一般很小（HCNR201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K1和K2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K3（即传输增益），每只线性光耦输出侧 光电流
10、IPD1和输入侧光电流IPD2之比都是一个恒定值（K3约为1为）。正是利 用这种特性，线性光耦才能达到满意的线性度。Vdc为转换直流电压线性转换电路如图 2所示4-5， 过后的直流电压信号，整个检测电路满足如下关系：R3UdcL=UdcHR1+R2+R3UIPD1=dcLR5VIPD2=dcR7 换关系：(5)(6)联立公式(1)(6)求解得到直流电压的如下转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R3R7UdcHVdcR1+R2+R3R5K3dc图2直流电压线性转换电路3检测电路实验结果分析本实验设计的直流电压检测范围为：0400V，可调直流电源由图3所示的整流 电路产
11、生，通过改变可调电源的输入电压来调节直流电压UdcH的幅值。电工电气(2009 No.11)度为： 可调电源1dcH2Vdc-(a0+a1UdcH)maxS a1UdcH(15)+UdcH(1)直流电压输入UdcH和输出Vdc线性转换拟合曲线如图4所示。108实验电路中取R6=1.2kQ,使得HCNR201的IF约为典型值10mA。其它电路参数为R仁R2=931 , R3=47kQ , R5=R7=150，稳压管工作电压 VCC1约为12V。可以计算得此电路输出电压理论值满足以下关系：1Vdc=0.024UdcHK3此检测电路的实验数据如表1所示。表1直流电压检测电路实验数据UdcH1.621
12、.032.165.290.4121.6150.1183.8217.9249.6274.4302.2332.1375.0401.3UdcL0.0040.5090.7791.5822.1902.9483.6404.4585.2826.0546.6517.3208.0649.1099.737 Vdc0.0040.5210.7791.6162.2363.0073.7104.5425.3786.1606.7677.4418.1899.244( 5VVdc/V图3可调直流电压源电路6420100200300UdcH/V400500(8)4结语本文提出了一种基于线性光耦 HCNR201的直流电压检测方法，并
13、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)： 74- 75.3 张宝
14、生，王念生.基于高线性模拟光耦器件HCNR200模拟量隔离板J.仪表技术，2005(5): 59-60.4杨小晨，王欣.高精度线性光耦HCNR200/201 及其应用J.仪器仪表用户，2003，10(5)： 41-42.李彦明，刘阳，廖湘平，苗成.采用精密线性光耦TIL300实现模拟量的隔离J.国外电子元器件，2002(2): 29-30.修稿日期：2009-09-18由于直流电压输入(UdcH)和输出(Vdc)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x= UdcH，y=Vdc):(9) y=a0+a1x则取© 0(x)=1 © 1(x)=x得到法方程组：1j=0aj X (© © j)=(y © i)(10)其中i=0、1，将表1中数据带入公式(10)，可a1=0.024656,贝U Vdc 0.024656 以求得 a0=1.2e-4， UdcH。联立公式(8)，计算可得HCNR201的传输增 益：K3=0.9986。本实验中线性光耦HCNR201的线性55