大功率裝置用多路輸出高壓隔離新型開關(guān)電源設(shè)計方案

1、大功率裝置用多路輸出高壓隔離新型開關(guān)電源設(shè)計 夏凌輝，呂征宇，費萬民 （浙江大學(xué)電力電子國家重點實驗室，浙江杭州310027） 摘要：基于專利技術(shù)1，通過設(shè)計高頻交流電流源和一種特殊的輸岀變壓器，研制了一種用于短路故障限 流器中晶閘管驅(qū)動的多輸岀開關(guān)電源。給岀了主電路拓撲結(jié)構(gòu)，敘述了輸岀變壓器的結(jié)構(gòu)及特點，分析了 系統(tǒng)的工作原理，進行了校驗電源有效性的仿真，開發(fā)了一臺樣機并成功應(yīng)用在限流器實驗裝置中。 關(guān)鍵詞：多路輸岀；高壓隔離；驅(qū)動電源；短路故障限流器 1 引言 隨著高壓大功率電力電子裝置的不斷發(fā)展，串接在一起的驅(qū)動電源之間，往往需要承受極高的工 作電壓。近來，多級隔離技術(shù)越來越多地被用在電

2、路的驅(qū)動系統(tǒng)中，以滿足高電壓隔離的需要；但這同時 也使得開關(guān)管的驅(qū)動電路越來越復(fù)雜。如圖1所示是一個使用在三相接地系統(tǒng)中的固態(tài)短路限流器。它是 由晶閘管三相整流器和一個限流電感組成的。限流器主要被用在15kV的電力系統(tǒng)中。考慮到電源電壓的 波動，晶閘管阻斷電壓限制和均壓系數(shù)等因素，圖1中所示限流器中的每個晶閘管閥在實際中必須要用8 個6kV等級的晶閘管串聯(lián)組成。這樣在限流器中的晶閘管總數(shù)達到了64個，則至少需要有61路高壓隔離 驅(qū)動電源用到這些晶閘管的門極驅(qū)動中。所以，開發(fā)一個新型的電源用作限流器中晶閘管的門極驅(qū)動電源 是一項非常重要的任務(wù)。 圖1三相接地系統(tǒng)固態(tài)短路限流器主電路拓撲 Dusa

3、n M. Raonic 2提出了一種晶閘管自我供能的門極驅(qū)動方式，它把一個緩沖電容作為能量存貯 單元，解決了幾乎每個功率開關(guān)管都存在的對隔離電源的需求。但是，這種方式只能被用于工作在功率變 換器直流側(cè)的晶閘管和GTO的門極驅(qū)動中。Chang Liuchen 3研制了一種驅(qū)動板電源用于三相逆變器中大 功率IGBT的驅(qū)動，它通過一個多繞組的變壓器，實現(xiàn)了4路相互隔離的輸岀。這種電源的缺點是隨著輸 出路數(shù)和隔離電壓的增加會導(dǎo)致變壓器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，體積極龐大。Heinemann Lothar et al提出了一 種具有超高壓隔離性能的電源用作IGBT的門極驅(qū)動，它使用了一種特殊結(jié)構(gòu)的變壓器，于是只能有

4、一路 輸出。如果這種電源被用到如圖1所示的固態(tài)短路故障限流器中，61路驅(qū)動電源將會不可避免地導(dǎo)致裝 置體積龐大，而且安裝和配線都會有很大的不便。 基于專利技術(shù)1，研制了一種具有多路輸岀，高壓隔離性能的實用新型開關(guān)電源，用于多管驅(qū) 動。該開關(guān)電源采用了磁環(huán)作輸岀變壓器，僅由無需彎曲的電纜穿過1次形成單匝原邊，副邊就可以輸岀 10W以上的功率，經(jīng)過簡單的整流和穩(wěn)壓形成一路驅(qū)動電源。因而驅(qū)動電源路數(shù)極易增減，既可按裝置需 要隨意安裝，又易達到極高的隔離電壓（僅取決于電纜的絕緣性）。應(yīng)用在要求很多路輸岀，高隔離電壓的 大功率裝置，如固態(tài)短路故障限流器中，此電源已體現(xiàn)了無可比擬的優(yōu)越性。 2 主電路拓撲

5、 新型電源的主電路拓撲如圖 2所示。它由5個部分組成。第一部分是一個由 4個二極管組成的單 相整流器。第二部分是半橋拓撲結(jié)構(gòu)，它主要由MOSFETS及S和電容G及C2組成。這個部分是新型電源 中輔助電源的主電路。 .:甘X 圖2新型電源的主電路拓撲 第三部分的功能是產(chǎn)生一個幅值恒定的直流電流|1。由于這里采用的PWMf關(guān)控制芯片是專門為 移相全橋變換器電路設(shè)計的，滿足全橋變換器需要的4路48%占空比的PWM區(qū)動信號，通過簡單組合可 形成兩路占空比48%內(nèi)可調(diào)的PWMK動信號，所以恒流源的主電路采用了一個雙Buck的電路拓撲。這個 雙Buck變換器等效于兩個普通的單 Buck變換器的并聯(lián)。MOS

6、FET S二極管D,電感L2組成了一個單 Buck變換器；MOSFET 二極管D2，電感L3組成了另一個。這兩個單 Buck變換器分別由兩路互補對稱的 PWM區(qū)動信號控制。它們和電感L1，二極管D3一起組成了雙Buck變換器。兩個單 Buck變換器共同使用電 感L1，這樣電感L2和L3的體積和重量都可以減小。二極管D的功能是箝制恒流輸岀型雙 Buck變換器的輸 岀電壓，使它不超過整流器的輸岀電壓。 第四部分是一個單相的全橋變換器，它把幅值恒定的直流電流I1變換成高頻的交流電流i2。S5和 S8 （或S6和S7）由同一個驅(qū)動信號控制，實現(xiàn)了同步開通和關(guān)斷。S及S2和SS8的控制信號如圖3所 示。

7、當(dāng)S6及S開通且S及S關(guān)斷時，按照圖2所定義的i2的正方向，i 2為正值。而當(dāng)S6及S7關(guān)斷且S5及 S8開通時，i2為負值。電流i2的波形是方波。和電壓型的全橋變換器不同的是，為了避免由于單相變換器 中的4個MOSFET時關(guān)斷引起的過壓，S5及S8應(yīng)該在S及S開通以后再關(guān)斷，反之亦然。延時時間td如 圖3所示。 (a)Si控制信號 i (b) S 2控制信號 t 772 i Ti (c)S5及S8控制信號 (d)S6及S7控制信號 圖3MOSFET勺控制信號 第五部分包括Ti, T2,T n是一些特殊結(jié)構(gòu)的變壓器和電流 i 2的電纜線的引線電感L4。為了減 小這個新型電源的體積，功率開關(guān)管必

8、須工作在一個很高的頻率下。這里采用了多諧振蕩零電壓軟開關(guān)技 術(shù)減小開關(guān)損耗，減小器件的電壓電流應(yīng)力，并獲得良好的電磁兼容性。所有8個功率開關(guān)管都工作在軟 開關(guān)模式下。R是一個電流檢測電阻用作電源的短路保護。R是另一個電流檢測電阻，用來實現(xiàn)電流Ii的 閉環(huán)控制。 3 控制電路 控制電路的主要功能就是產(chǎn)生驅(qū)動信號，控制主電路產(chǎn)生一個幅值恒定的高頻電流。為了使電流 幅值恒定，采用了如上節(jié)所述的雙Buck變換器電路。這個雙 Buck變換器控制電路的主要部分包括一個電 流反饋的PI調(diào)節(jié)器和一個PWMW號發(fā)生器。單相橋式變換器的控制電路用以產(chǎn)生如圖3( c)和圖3( d) 所示的控制信號。所有上述的功能只

9、要用一片集成芯片UC3875就可以實現(xiàn)。UC3875產(chǎn)生的驅(qū)動信號使兩 個對角開關(guān)管的開關(guān)動作相對于另兩個對角開關(guān)管的開關(guān)動作產(chǎn)生相移，實現(xiàn)了對橋式功率級的控制，能 夠在很高的頻率下允許固定頻率PWM調(diào)節(jié)結(jié)合諧振零電壓軟開關(guān)，實現(xiàn)高效率。 4 輸出變壓器 采用磁環(huán)做輸岀變壓器，每個輸岀變壓器的原邊僅有一匝，即高頻交流電流i2流經(jīng)的一根穿過所 有輸岀變壓器磁環(huán)的高壓絕緣電纜線。通過輸岀變壓器的增減，驅(qū)動電源路數(shù)能夠很容易地實現(xiàn)增減。如 果電流Il和整流器的輸岀電壓足夠高，僅一個電源就能夠?qū)崿F(xiàn)大量的隔離輸岀。新型電源每個輸岀單元都 可以很容易地放置，只要把它們安裝在相應(yīng)晶閘管附近，用電纜線穿過所有

10、磁環(huán)，用光纖傳送DSP輸岀的 驅(qū)動信號，既可實現(xiàn)整個裝置的電能與信號分開傳送，又可滿足限流器中晶閘管安裝的需要。因為，這些 晶閘管被使用在高壓電力電子裝置中，每二個晶閘管的驅(qū)動電路之間的隔離電壓必須足夠地高。如果采用 一根高壓絕緣電纜線作為輸岀變壓器的原邊繞組，這樣原邊繞組與副邊繞組之間的隔離電壓至少等于這根 高壓絕緣電纜線的絕緣電壓。這樣，只要使用一根超高壓絕緣的電纜線，變壓器的原副邊的隔離電壓就可 以達到相當(dāng)高的等級。由于原邊繞組的匝數(shù)僅有一匝，因此，要求導(dǎo)磁體具有很高的導(dǎo)磁率，磁環(huán)的磁路 長度必須盡可能地短，而磁環(huán)的截面積則要求盡可能地大，以獲得良好的電磁耦合效果，降低激磁電流。 5 副

11、邊電路 圖2第二部分所示是輔助電源的主電路，它的其它部分如圖4 ( a)所示。端子J及K與圖2中相 同的端子相連。而新型電源隔離輸出的副邊電路如圖4 ( b)所示。由二極管 D D4組成的整流橋，把交流 電流變成了直流電流。由電阻 R R7，并聯(lián)穩(wěn)壓器Zi，晶體管S和MOSFET曲成的電路把這個直流電流 變成一個穩(wěn)定的電壓。即形成一路驅(qū)動電源。 6 仿真波形和實驗結(jié)果 為了確認設(shè)計電源的有效性，對圖 2及圖4所示電路進行了仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。仿真依 據(jù)的主要參數(shù)如下： L1=1mH L2=L3=L4=15 p, H, C=G=C=G=1 卩 F。 (a) 輔助電源的副邊電路 (b)隔離輸

12、岀的副邊電路 圖4副邊電路 圖5Ii, i2, itsi及驅(qū)動電源輸出電壓的仿真波形 輸岀電流i 2波形 根據(jù)原理分析及仿真驗證，開發(fā)了一臺700W的電源樣機，已經(jīng)成功使用在380V限流器實驗裝置 中，實現(xiàn)了長期可靠運行。用一無感電阻對輸出電流 i 2取樣，并把示波器采集的數(shù)據(jù)用 Origin 數(shù)據(jù)分析 軟件還原，波形如圖 6 所示。電源樣機每個輸出變壓器的副邊繞組都是 3匝。每路驅(qū)動電源的負載阻抗都 是25 Q。它的主要特性如下：驅(qū)動電源路數(shù)為12（可以更大）；每路驅(qū)動電源輸出功率可達 20W；各路驅(qū) 動電源之間的隔離電壓為 40kV。 7 結(jié)語 開發(fā)了一種新型的用于短路故障限流器中晶閘管驅(qū)動的多輸出開關(guān)電源。設(shè)計電源的輸出路數(shù)足 以用來驅(qū)動所有使用在限流器中的晶閘管。使用超高壓絕緣的電纜線作為所有輸出變壓器單匝的原邊繞 組，電源輸出之間的隔離電壓可以達到相當(dāng)高的等級。根據(jù)限流器中的晶閘管的實際需要，電源