DC/DC電源技術研究

隨著電力電子技術的發展，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，其技術要求為：電壓響應時間1ms峰值電壓50V；最大電流20kA，能實現4個象限的運行。針對此要求，不可避免地需采用電源并聯技術，即功率管并聯或電源裝置的并聯。對于20kA直流電源，若采用功率管IGBT并聯，每個橋臂則至少需15只功率管并聯，這不但給驅動帶來很大困難，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，提出采用多米諾結構的DC/DC電源裝置并聯技術思路。

對電源并聯系統的基本要求為：

1)在電網擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩定；

2)各模塊調制頻率一致。若不一致，則產生低頻脈動信號，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構

DC/DC電源并聯有兩種拓撲結構，一種是采用輸入直流母線結構，其系統結構框圖如圖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，系統結構圖如圖1b所示。

采用圖1a所示的拓撲結構，系統需大容量不可調直流電源，一般可采用整流變壓器降壓，二極管整流并經電容濾波得到。這種結構雖可保證并聯的每條支路有共同的直流電壓輸入，避免并聯支路因直流側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設備要求較高，不易實現。另外，輸入端共用母線不利于實現完全意義上的獨立電源模塊的并聯。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯的拓撲結構。

圖1b所示的拓撲結構可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性，即可實現直流電源裝置的并聯，能夠根據實際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個數！在實際應用中有很大的空間，有一定的研究價值。但這種拓撲結構也有它不利的一面！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措施進行抑制：首先，在采用獨立的AC-DC/DC電源并聯時，應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環節設置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調制方式(PDW)，通過調節各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨于平衡。當電源模塊給定電流正負切換時，可實現不同象限的運行，滿足系統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，該電源系統是電流隨動系統，系統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的靜態與動態性能指標。