大功率DC電源(05-100)

　　十千瓦功率的開(kāi)關(guān)電源在過(guò)去的幾十年正在慢慢地替代可控硅整流器(SCR)基拓樸，其優(yōu)缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。

　　開(kāi)關(guān)電源的高頻工作使得磁元件的尺寸和重量減小并對(duì)線路和負(fù)載干擾有較快的響應(yīng)時(shí)間。在低側(cè)，大功率開(kāi)關(guān)電源對(duì)開(kāi)關(guān)器件可靠性的要求比SCR基所對(duì)應(yīng)的部件要小。

　　現(xiàn)在，大功率開(kāi)關(guān)電源系用很多功率電路拓樸。最常用的配置包括如下3種功率轉(zhuǎn)換級(jí)：

• 　　AC-DC轉(zhuǎn)換器—把3相輸入電源轉(zhuǎn)換為一個(gè)DC電壓。
• 　　DC-AC轉(zhuǎn)換器蜒把DC總線上的電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)高頻AC電壓。
• 　　次級(jí)AC-DC轉(zhuǎn)換器—把高頻AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。

　　兩個(gè)AC-DC轉(zhuǎn)換器除工作頻率外其他功能是很相似的。轉(zhuǎn)換器主要的組成部分是：整流器、低通濾波器和緩沖器。緩沖器限制開(kāi)關(guān)瞬態(tài)電壓和存儲(chǔ)在寄生元件中的吸附能量。

　　第2級(jí)的DC-AC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)高頻電壓(20KHz或更高)，通常用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)變壓器。變壓器用于電阻隔離和產(chǎn)生由變壓器匝數(shù)比決定的輸出電壓。DC-AC轉(zhuǎn)換器是最復(fù)雜的一級(jí)，而在產(chǎn)品中有很多的功率處理拓?fù)洹?/p>

　　大多數(shù)大功率DC-AC轉(zhuǎn)換器為了激勵(lì)高頻變壓器都采用H橋配置(4個(gè)功率器件)。由脈寬調(diào)制(PWM)或其他調(diào)制方法控制H橋來(lái)產(chǎn)生限脈寬或限幅電壓。H橋調(diào)制產(chǎn)生一個(gè)可控輸出電壓。

　　DA-AC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浞譃槿N：硬開(kāi)關(guān)、軟開(kāi)關(guān)和諧振。這三種拓?fù)涞闹饕顒e是在轉(zhuǎn)換期間(開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換)開(kāi)關(guān)器件的負(fù)載線路。在轉(zhuǎn)換期間，功率器件消耗大部分的功率。

　　硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可使功率器件和緩沖器吸收轉(zhuǎn)換能量。軟開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器有另外的無(wú)源電路來(lái)整形功率波形以降低轉(zhuǎn)換期間的損耗。諧振功率轉(zhuǎn)換器具有調(diào)諧儲(chǔ)能電路，能使器件電壓或電流達(dá)到正弦。

　　硬開(kāi)關(guān)，軟開(kāi)關(guān)和諧振轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成由DC電壓?jiǎn)?dòng)，通常稱之為電壓饋電轉(zhuǎn)換器。電壓饋電轉(zhuǎn)換器，其特性易于出現(xiàn)快速直通問(wèn)題，在其他串聯(lián)器件導(dǎo)通前未能關(guān)閉時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題。

　　可設(shè)計(jì)保護(hù)電路使災(zāi)難性問(wèn)題最小，通常這樣的保護(hù)電路在1~2祍內(nèi)必須有效地檢測(cè)快速直通問(wèn)題。器件參量的變化和電壓饋電轉(zhuǎn)換器的不規(guī)則調(diào)制可導(dǎo)致半周期電壓不相等，引起變壓器磁芯飽和，保護(hù)電路也必須具有快速響應(yīng)，以便在功率半導(dǎo)體器損壞能檢測(cè)這些條件。

　　電壓饋電轉(zhuǎn)換器的電孿生轉(zhuǎn)換器是電流饋電功率轉(zhuǎn)換器。電流饋電轉(zhuǎn)換器比電壓饋電轉(zhuǎn)換器優(yōu)越的地方是快速直通和半周期不對(duì)稱不可能導(dǎo)致器件失效或磁芯飽和。這是SCR基轉(zhuǎn)換器的特性和電流饋電為什么更耐用的一個(gè)主要原因。

　　電流饋電轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是需要一個(gè)第4功率轉(zhuǎn)換級(jí)把DC總線電壓轉(zhuǎn)換為DC電流。增加級(jí)數(shù)會(huì)導(dǎo)致附加的復(fù)雜性和損耗。由于成本原因，電流饋電轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)起來(lái)比電壓饋電拓?fù)涓佟?/p>

　　電壓饋電轉(zhuǎn)換器特性

　　圖1示出一個(gè)簡(jiǎn)化的電壓饋電轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器包括：H橋，絕緣柵雙板晶體管(IGBT)Q1-Q4，電源變壓器T1和輸出整流二極管D5~D8。輸入電壓源可以是電池，DC電源或整流的AC總線。

 

　　圖1 電壓饋電轉(zhuǎn)換器

 

　　圖2 電流饋電轉(zhuǎn)換器

　　實(shí)際上，需要電容器C1來(lái)保證在較高頻率有一個(gè)低阻抗總線。電感器L1和電容器C2構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，以去除輸出的AC分量。

　　以通常的硬開(kāi)關(guān)PWM方法，Q1和Q4在半周期部分導(dǎo)通、Q2和Q3在另一個(gè)半周期部分導(dǎo)通。這同樣地激勵(lì)變壓器T1交替半周期。變壓器次級(jí)上的平均整流電壓正比于IGBT的導(dǎo)通周期。電壓饋電轉(zhuǎn)換器的定時(shí)是關(guān)鍵。假若IGBT的Q1和Q2或Q3或Q4同時(shí)導(dǎo)通，則導(dǎo)通器件中的電流迅速上升，導(dǎo)致器件在幾微秒失效。為了避免這種危險(xiǎn)的工作條件，設(shè)計(jì)人員在調(diào)制電路中引入導(dǎo)通延遲，監(jiān)控DC總線電壓并感測(cè)功率器件的導(dǎo)通條件。

　　為了成功實(shí)現(xiàn)這種方案，電路必須能響應(yīng)高速故障和對(duì)電噪聲不敏感。在功率為幾千瓦時(shí)這是難于解決的問(wèn)題。

　　電壓饋電轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問(wèn)題是由導(dǎo)通電壓變化，上升和下降時(shí)間的差別以及錯(cuò)誤的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)所引起的DC電壓。用直流電壓激勵(lì)變壓器，會(huì)導(dǎo)致磁芯飽和和功率器件失效。避免嚴(yán)重事件的典型方法是在變壓器中有空氣隙，加入與變壓器初級(jí)線圈串聯(lián)的DC隔直電容器以及逐周期電流平衡采用電流模式調(diào)制。