有源濾波裝置的雙向DC／DC變換器研制

摘要：為滿足強磁場裝置電源供電極低的電流紋波要求，采用了有源濾波裝置，設(shè)計了一種新型的雙向DC／DC變換器取代了以往有源電力濾波器(APF)中使用的水冷電阻，將多余能量回饋給系統(tǒng)，從而大大節(jié)約了能量損耗。首先簡述了當(dāng)今各種有源濾波技術(shù)的優(yōu)缺點，并介紹了并聯(lián)型線性APF的工作原理，接著詳細分析了雙向DC／DC變換器的控制方案設(shè)計原理與工作過程，最后對該設(shè)計方案進行了仿真與實驗驗證。由實驗波形可知，該雙向DC／DC變換器能夠順利實現(xiàn)能量的雙向流通。
關(guān)鍵詞：變換器；強磁場；有源電力濾波器

1 引言
強磁場一般是指強度超過20 T的穩(wěn)態(tài)磁場或瞬間強度超過50 T的脈沖磁場。穩(wěn)態(tài)強磁場裝置所需的高穩(wěn)定度電源系統(tǒng)功率高達數(shù)千千瓦，而其直流側(cè)要求將負載的電流紋波限制在數(shù)十ppm以內(nèi)，一般大功率電源中采用的由電感、電容組成的無源濾波裝置很難消除含量極低的非特征紋波，因此單純依靠無源濾波難以滿足該要求，需對大功率高穩(wěn)定電源增加直流有源濾波裝置。直流有源電力濾波按補償?shù)膶崿F(xiàn)方法可分為線性有源濾波和脈寬調(diào)制(PWM)型有源濾波；按接入系統(tǒng)方式，可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型有源電力濾波。PWM型有源濾波的響應(yīng)速度不夠快，串聯(lián)型有源濾波的功耗又太大，因此這里采用并聯(lián)型線性有源濾波。在該裝置中，通常使用水冷電阻給電容器進行快速放電，這樣會造成很大的能量損耗，此處設(shè)計了一種新型雙向DC／DC變換器，不僅可以為濾波電容器充電，而且可以將電容器多余的能量回饋到電源側(cè)，取代了以往采用水冷電阻直接耗電的工作方式，從而減少了能量損耗，提高了工作效率。

2 并聯(lián)型線性APF工作原理介紹
并聯(lián)型線性APF電路如圖1所示。

圖中，Lf，Cf組成無源濾波電路，L0，R0為負載，APFS1，APFS2為兩組輔助電源，V1，V2為線性調(diào)整管，設(shè)兩電壓源對地電壓分別為UAPF+，UAPF。通過檢測Cf上的紋波電流作為兩個調(diào)整管的控制信號，控制APF產(chǎn)生雙向的補償電流。這里采用雙向DC／DC變換器來實現(xiàn)APFS2的功能。該變換器的穩(wěn)定工作是并聯(lián)型線性APF可靠運行的重要部分。

無論電流正向還是反向流動，工作時，雙向DC／DC變換器的兩端電壓均會存在很大壓差，從而保證能量順利傳輸。由圖2示出的線性APF系統(tǒng)電路可知，該雙向DC／DC變換器工作時，輸入端與輸出端電壓的差值始終為線性調(diào)整管的管壓降。故需采用一種新的控制方式來保證變換器可正常雙向工作，同時若要保證紋波電流能快速通過雙向變換器，變換器中電感參數(shù)的設(shè)計也尤為重要。圖中，電感L3為變壓器TX1的漏感與外接電感的組合，TX1的匝比設(shè)置為1．5：1。