1 引言

在高电压测量系统中，因受某些条件限制，位于高压侧的测量装置往往不能用导线直接从低压侧获得工作电源，这时可采用母线电流供电方式，即利用母线电流作为能量来源，经电磁式电流互感器CT和相关电路将变化的电流源变换成具有一定功率输出能力的稳定电压源，为测量装置供电。如：在电力系统颇具应用前景的光纤电流互感器，目前主要采取这种方式供电。由于现场高压母线电流的变化范围很大，而且供电电源与测量装置是在被绝缘材料包围、散热条件很差的环境下工作，所以在这种情况下，如何设计低热耗的电流源/电压源（以下简称"电源"），使其稳定工作，已成为要解决的技术难题。

本文基于PWM设计的电源，解决了上述问题。

2 电源电路及工作原理

2.1 电源电路

电源电路如图1所示。图中CT为电磁式电流互感器，GT1-1和GT1-2 分别为固态继电器GT1的输入端和输出端，IC为低压差三端集成稳压器，D W为稳压二极管，DV为瞬间电压抑制二极管， R1与C1组成高次谐波吸收电路， RL为负载（即测量装置）。如果负载需要几种电压供电，则可在IC输出端接入相应规格的DC/DC模块。

2.2 工作原理

在图1中，根据GT1从断态向通态过渡时的GT 1-1触发电流IG1，维持GT 1工作的GT1-1维持电流IGH 和GT1从通态向断态过渡时的GT1-1 截止电流IG2三者之间有I G2＜IGH＜IG1 的关系[2]，以及稳压二极管DW存在一定数值的动态电阻r ( r = △U/△I≠0 )的特性[3]；由于DW支路和GT1-2 间形成的负反馈作用，使GT1-2的通断时间能够随CT次级电流的变化而变化并保持适当比例，从而保证了IC的输入电压U in在较小的范围内波动、输入/输出压差合适和输出电压的稳定。

为了便于分析，设：① Uin在U1～U 2间波动，Uin由U 1上升至U2的时间为T 1， 由U2下降至U1 的时间为T2；② GT1-1支路的电流为IG；③ 将IC的偏流I b归并到负载电流IL中,并忽略 I b的变化（I b 实际变化很小[4]，不影响以下分析）。

(1) 当Uin＞U2时，D W导通，IG ＞IG1，使GT1的输出端GT 1-2从截止状态变为导通状态。此时由于GT1-2 通态压降（1V左右 ）小于Uin，故CT次级电流被GT1-2 短路，电容C2开始单独为GT1-1 支路和负载供电，Uin逐渐下降，经过时间 T2后，Uin = U1 。

根据基本关系式：
　DQ = C× DU （1）
　 Q = I × t （2）
在这一过程中有如下关系
C × （U2-U1）=（ IL+ IG ）× T2 （3）
C为C2的电容量。

值得指出：GT1-2导通时，由于整流桥P中二极管的单向隔离作用，使电容C2两端电压不受GT 1-2低通态压降的影响，所以GT1-2不会对 C2储存的能量进行分流；IG 在Uin由U2 →U1过渡的过程中略有变化，故式（３）中的 IG可认为是在这一过程中的平均值。

(2) 当U in＜U1时，DW 截止，IG＜IG2，使 GT1的输出端 GT1-2 从导通状态变为截止状态，此时CT次级电流I （平均电流）在向 C2充电的同时又向负载提供能量， Uin逐渐上升，经过时间T1 后，Uin = U2 。
根据式（1）和式（2），在这一过程中有如下关系

I× T1 = C × （U2 -U1）+ IL × T1 （4）
式(1)、式(2)过程周期往复进行，U in始终在U1 ～U2间变化，使三端稳压器IC始终保持合适的输入/输出压差， 输出电压稳定，为负载提供稳定的工作电源。

3 技术分析

由式（3）和式（4）可得
T2/(T 1+T2)= 1 - (IL+IG)/(I + IG) （5）
根据图1所示电源电路的工作过程, 式（5）阐示了以下涵义：
（1） T2/(T1+T 2)代表了GT1导通时间与工作周期之比，它随着电流 I的增加而增大，因此，驱动固态继电器GT1 工作的信号实质是一个受控于CT次级电流I的PWM（脉宽调制）信号，PWM信号的"占空比"与电流I的关系由式（5）给出；

（2） 在T2期间，GT1-2导通，它以较大的等效导纳切入CT次级参与分流；在T1期间，GT 1-2截止，它的等效导纳近似于零，不参与分流。若取 GT1-2导通时的分流能力为1，则T 2/(T1+T2）相当于CT次级电流为I时的GT1-2平均分流能力，它受控于CT的次级电流I。　

这里特别指出：采用母线电流供电方式的电源，其适应母线电流的变化范围，主要取决于能否有效降低电源的热耗。电源的热耗主要来自分流器、整流桥和集成稳压器，为了有效降低电源的热耗，在图1中采取了以下措施：

（1） 由于DW支路与GT1-2间形成的负反馈作用和C2的滤波、储能作用以及整流桥P的单向隔离作用，通过适当选取C2和DW 支路的参数，可控制GT1-2的通断时间保持适当比例，使IC的输入/输出压差在合适的范围内变化，保证IC输出电压稳定，同时热耗较小；

（2） 由于整流桥P的交流输入端与分流器GT1-2 并联，GT1-2开通时, P中没有电流流过, 所以可显著降低整流桥的热耗，若选用低管压降的整流桥，还可进一步降低整流桥的热耗；

（3） 由于分流器GT1-2工作在开关状态（见图2），开路时没有热耗，导通时压降又很低，所以其热耗比以线性方式工作的分流器的热耗明显减少。因此，图1所示的电源在母线电流变化范围较大的情况下，热耗较小，可为测量装置提供稳定的工作电源。

设GT1-2的平均分流能力为 Y，则
Y=1- (IL+IG)/(I +IG) （6）
下面结合式（6）和图1进一步分析电源的技术要点。

（1）当I < IL，则Y < 0，属于母线电流向电源提供的能量不能满足负荷要求，母线电流较小的情况。这时，Y相当于一定容量的发电机或一外部电源，在本系统中不可能物理实现。在图1中表现为：IC的输入电压Uin小于其正常工作所需要的最小电压， 电源处于死区， 无法正常工作。为了减小电源死区，可采取适当增大CT铁芯的截面、选择低损耗的铁芯和减少CT次级匝数等措施。

（2）当I = IL，则Y = 0，属于母线电流向电源提供的能量恰好能满足负荷要求，维持电源正常工作所需最小母线电流的情况。此值越小，电源死区范围越小，电源性能越好。在图1中表现为： IC的输入电压Uin恰好等于其正常工作所需要的最小电压，电源正常工作，但这时的Uin还不足以使D W支路导通，GT1-2仍处于开路状态。

（3）当I > IL，则Y > 0，属于母线电流足够大的情况。这时，Y相当于一个分流支路起分流作用，其平均分流能力与CT次级电流 I呈式（6）所示的函数关系。在图1中表现为，通过DW支路与GT1-2间形成的负反馈作用，使GT1-2 的通断时间比随I的增加而增大，GT1-2 作为受控阻抗切入CT次级分流，控制Uin 在允许范围内波动，保证电源工作正常。

（4）当I >> IL，属于母线出现瞬时故障电流的情况。这时，在图1中，由于瞬间电压抑制二极管Dv和电容C2的储能作用，限制了 Uin的上升，仍可保证电源正常工作。

因此，图1所示的电源在母线电流变化范围较大的情况下，具有热耗小、工作稳定的特点。

4 实验结果

图2（a），（b）给出的实验结果是图1中 CT初级电流分别为6.5A和170A，负载电流约为150mA时，固态继电器GT 1输出端GT1-2的电压波形图。将本文设计的电源经绝缘处理后，现场运行试验和实验室模拟实验的结果表明，在母线电流从数安至数百安宽范围变化的情况下，可为负载提供 5V/150mA的稳定工作电源。如果负载需要几种电压供电，只需在集成稳压器IC（见图1）的输出端接入相应规格的DC/DC模块即可。该电源特别适合作为高电压侧测量装置的供电电源。