新型多路直流輸出高壓隔離電源的研究

關(guān)鍵詞：分布式電源；高壓隔離；固態(tài)短路限流器

引言

電力電子裝置處理高電壓大容量等級(jí)的技術(shù)方案主要有以下幾種：

1）采用高容量等級(jí)的開(kāi)關(guān)器件或者器件的串并聯(lián)；

2）采用級(jí)聯(lián)的多電平變換器技術(shù)。

無(wú)論采用哪種技術(shù)，串接在一個(gè)橋臂或級(jí)聯(lián)的H橋臂之間的功率管的驅(qū)動(dòng)電源之間都承受了極高的電壓。為了保證裝置的可靠性，必須確保各路驅(qū)動(dòng)電源之間有良好的高壓隔離特性。另外，由于處理高壓等級(jí)的時(shí)候，所使用的開(kāi)關(guān)管一般比較多，因此，獨(dú)立隔離驅(qū)動(dòng)直流電源的數(shù)目比較大。

常規(guī)的多路直流輸出技術(shù)都是基于直流母線分布式電源系統(tǒng)[1]，其中的DC/DC變換器數(shù)目多、體積大，而且，當(dāng)各DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率不同的時(shí)候，還會(huì)發(fā)生拍頻干擾，從而使得輸出電壓出現(xiàn)各頻率紋波。常規(guī)的高壓隔離技術(shù)必須要設(shè)計(jì)出耐高壓的隔離變壓器，高壓隔離的要求給工藝和結(jié)構(gòu)上都帶來(lái)很大困難，而且成本也隨之增加。文獻(xiàn)[2]通過(guò)一個(gè)多繞組的變壓器，實(shí)現(xiàn)了用在三相逆變器4路相互隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)電源。

本文所設(shè)計(jì)的新型多路輸出高壓隔離電源是基于專利技術(shù)[3]，其主要思想就是高頻鏈交流電流分布式電源系統(tǒng)的思想。其一次側(cè)為提供滿脈沖寬度、電流幅值可調(diào)的高頻交流方波電流母線，使其穿過(guò)普通環(huán)形變壓器，其二次側(cè)實(shí)現(xiàn)能量傳輸和高壓隔離。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這種基于高頻鏈交流電流母線分布式電源系統(tǒng)的框圖如圖1所示。和直流分布式電源系統(tǒng)[2]一樣，它相對(duì)于集中式的電源系統(tǒng)而言，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1）負(fù)載與電網(wǎng)之間、負(fù)載與負(fù)載之間有較好的電氣隔離性能，隔離可以很容易地做到上萬(wàn)伏等級(jí)；

2）擴(kuò)展特性好，負(fù)載的路數(shù)可以任意地增減；

3）輸出相同路數(shù)隔離的直流電源時(shí)，可靠性高、體積小、重量輕，成本也要低很多。

新型多路輸出高壓隔離電源的一次結(jié)構(gòu)主電路如圖2所示。從圖2不難看出，這種電源主要是由兩級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)為Buck DC/DC變換，第二級(jí)為全橋逆變。新型多路隔離輸出電源次級(jí)的主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。一次側(cè)交流母線依次穿過(guò)所有環(huán)形磁芯，經(jīng)過(guò)整流、線性穩(wěn)壓后，成為多路驅(qū)動(dòng)電源。

2 初級(jí)主電路原理

為了減化分析，對(duì)初級(jí)主電路做以下假設(shè)：

1）L1足夠大，也即Buck電路的輸出電流不變，相當(dāng)于一個(gè)恒流源；

2）次級(jí)線性穩(wěn)壓很穩(wěn)，也即環(huán)形變壓器的初級(jí)電壓可以等效為一個(gè)電壓源，設(shè)次級(jí)線性穩(wěn)壓后的電壓為Vo，則環(huán)形變壓器的原邊等效電壓為Vo/Ns（其中Ns為環(huán)形變壓器副邊匝數(shù)）；

3）所有n個(gè)次級(jí)負(fù)載的特性相同；

4）所有的器件都是理想器件。

初級(jí)主電路控制和主要波形如圖4所示。從圖4可以看出其工作主要分以下幾個(gè)階段。

圖4 驅(qū)動(dòng)和逆變器輸出電壓電流波形

1）[0，t1]階段 S2，S3，S4，S5同時(shí)導(dǎo)通，D1續(xù)流，等效電路如圖5（a）所示。從圖5(a)不難看出，在理想的情況下，電感的電流將維持不變。

2）[t1，t2]階段 S3及S4關(guān)閉，S1，S2，S5導(dǎo)通。電感L1充電。等效電路如圖5（b）所示。由圖5(b)不難得關(guān)系式（1），即

3）[t2，t3]階段 S1關(guān)閉，S2及S5開(kāi)通，電感L1放電，等效電路如圖5（c）所示?？梢缘藐P(guān)系式（2），即

4）[t3，t4]階段 S2，S3，S4，S5同時(shí)導(dǎo)通，D1續(xù)流，等效電路如圖5（d）所示，與圖5（a）過(guò)程一樣，這時(shí)候，電感電流維持不變。

5）[t4，t5]階段 S1，S4，S3導(dǎo)通，電感L1充電。等效電路如圖5（e）所示。同樣可得關(guān)系式（3），即

6）[t5，t6]階段 S4及S3導(dǎo)通，D1續(xù)流，電感L1放電，等效電路如圖5（f）所示。同樣可得關(guān)系式（4），即

圖5

從上面的分析可以知，在一個(gè)逆變器的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)雖然有6種工作狀態(tài)，但是，在后半周期內(nèi)，逆變器的等效負(fù)載電壓改變了方向，因此，圖5（d）、(e)、(f)過(guò)程分別等效圖5(a)、(b)、(c)。這樣便可得電感的伏秒關(guān)系式（5），即

由式（5）得Buck電路的占空比為

令電感L1的平均電流為IL，假設(shè)逆變器死區(qū)時(shí)間tdT，則次級(jí)變壓器的輸出電流為，在理想無(wú)損耗的情況下，可得功率關(guān)系式（7），即

Buck變換器輸入電流關(guān)系如式（8）所示。

Iin=DIL （8）

3 次級(jí)高壓隔離

一般電源要實(shí)現(xiàn)高壓隔離，都必須設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)高壓隔離的變壓器。這種耐高壓的變壓器首先必須保證絕緣強(qiáng)度[4]，另外，在線包結(jié)構(gòu)工藝，裝配工藝，絕緣處理等諸多方面都有嚴(yán)格要求。如果要做到各路輸出之間的高壓隔離，受到材料、溫升、與其它參數(shù)的影響，變壓器體積將會(huì)過(guò)大，成本很高。如果采用高頻交流電流母線的技術(shù)，如圖3所示，原邊只須用一根高壓電纜穿過(guò)普通的環(huán)形磁芯（即變壓器原邊匝數(shù)只有一匝)，就可以實(shí)現(xiàn)能量的傳輸和高壓隔離，而高壓隔離的等級(jí)隨著電纜絕緣水平的升高而提高。因此，這種基于高頻交流母線技術(shù)的供電系統(tǒng)就不需要設(shè)計(jì)專用耐高壓的變壓器。采用交流母線傳輸功率和隔離的方案，由于原邊匝數(shù)只有一匝，激磁電感比較小，如式（9）所示。

為了提高傳輸效率，宜采用磁導(dǎo)率（μr）高，截面積（Ae）大的磁芯。文獻(xiàn)[5]中詳細(xì)討論了這種電源傳輸效率和磁芯材料等參數(shù)的關(guān)系。

4 仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究

為了研究這種基于電流母線技術(shù)的DPS供電系統(tǒng)的特性，用PSIM仿真和實(shí)驗(yàn)研究了該供電系統(tǒng)特性。仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：

L1=2.2mH，C1=470μF；

主功率管采用IRF840；

二極管采用MUR860；

二次線性穩(wěn)壓在10V；

環(huán)形變壓器的副邊匝數(shù)Ns=3匝；

Buck電路開(kāi)關(guān)頻率fbuck=200kHz；

全橋逆變器的開(kāi)關(guān)頻率f=100kHz；

電流母線穿過(guò)24只磁環(huán)，二次每路的輸出功率為5W。

由上面的式（1）～式（8）可以大概地估計(jì)一下電路中的參數(shù)：

IL=1.5A （10）

D=120/300=0.4 (11)

圖6是逆變器輸出的電壓波形和電流仿真波形。圖7為Buck電路的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形，從圖7不難看出Buck變換器的占空比近似為0.4。圖8為全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形。圖9為交流母線電流實(shí)驗(yàn)波形。從圖9不難看出電感電流近似為1.5A。

5 結(jié)語(yǔ)

基于高頻交流電流母線技術(shù)設(shè)計(jì)的新型多路直流輸出高壓隔離電源，不僅具有常規(guī)DPS電源的特點(diǎn)，還具有很好的負(fù)載擴(kuò)展特性，最重要的就是它不需要耐高壓的隔離變壓器，因此，這種電源系統(tǒng)可以應(yīng)用于高壓大功率的驅(qū)動(dòng)電源中。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在10kV的固態(tài)短路限流器中，現(xiàn)計(jì)劃用于3300V交流調(diào)速系統(tǒng)中。