DC/DC電源技術(shù)研究

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，很多場合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源，其技術(shù)要求為：電壓響應(yīng)時間1ms峰值電壓50V；最大電流20kA，能實現(xiàn)4個象限的運行。針對此要求，不可避免地需采用電源并聯(lián)技術(shù)，即功率管并聯(lián)或電源裝置的并聯(lián)。對于20kA直流電源，若采用功率管IGBT并聯(lián)，每個橋臂則至少需15只功率管并聯(lián)，這不但給驅(qū)動帶來很大困難，而且，在一般情況下，電流容量較大的功率管的電壓容量也較大，在實際電壓只有50V 的情況下，對功率管的電壓容量而言，這是極大的浪費。因此，提出采用多米諾結(jié)構(gòu)的DC/DC電源裝置并聯(lián)技術(shù)思路。

對電源并聯(lián)系統(tǒng)的基本要求為：

1)在電網(wǎng)擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩(wěn)定；

2)各模塊調(diào)制頻率一致。若不一致，則產(chǎn)生低頻脈動信號，增大輸出電流和電壓的紋波成分；

3)控制各模塊電流，使其均分負載電流。

1 大功率直流電源的拓撲結(jié)構(gòu)

DC/DC電源并聯(lián)有兩種拓撲結(jié)構(gòu)，一種是采用輸入直流母線結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示，主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路，N 路DC/DC變換器，泵升電壓抑制電路等；另一種是采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。

采用圖1a所示的拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)需大容量不可調(diào)直流電源，一般可采用整流變壓器降壓，二極管整流并經(jīng)電容濾波得到。這種結(jié)構(gòu)雖可保證并聯(lián)的每條支路有共同的直流電壓輸入，避免并聯(lián)支路因直流側(cè)輸入電壓不同而帶來的不均衡，但該直流電源的容量大，電流達20KA，直流母線承受的負荷過重，前級AC-DC設(shè)備要求較高，不易實現(xiàn)。另外，輸入端共用母線不利于實現(xiàn)完全意義上的獨立電源模塊的并聯(lián)。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1b所示的拓撲結(jié)構(gòu)可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性，即可實現(xiàn)直流電源裝置的并聯(lián)，能夠根據(jù)實際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個數(shù)！在實際應(yīng)用中有很大的空間，有一定的研究價值。但這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它不利的一面！即若變壓器輸出電壓略有差別，則每個整流模塊的輸出電壓將不同，從而造成各整流模塊輸出電流嚴重不平衡。

不過，這種不平衡可采取如下相應(yīng)措施進行抑制：首先，在采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)時，應(yīng)盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等；其次，針對由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡，可在DC/DC環(huán)節(jié)設(shè)置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調(diào)制方式(PDW)，通過調(diào)節(jié)各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨于平衡。當(dāng)電源模塊給定電流正負切換時，可實現(xiàn)不同象限的運行，滿足系統(tǒng)4象限運行的要求。

2 大功率直流電源的控制方案

在托卡馬克快控電源的應(yīng)用中，要求電源輸出電流實時跟蹤給定電流曲線。因此，該電源系統(tǒng)是電流隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的快速性將是一較重要的性能指標。而控制方式的選擇將影響整個系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能指標。