新型多路直流輸出高壓隔離電源的研究

關鍵詞：分布式電源；高壓隔離；固態短路限流器

引言

電力電子裝置處理高電壓大容量等級的技術方案主要有以下幾種：

1）采用高容量等級的開關器件或者器件的串并聯；

2）采用級聯的多電平變換器技術。

無論采用哪種技術，串接在一個橋臂或級聯的H橋臂之間的功率管的驅動電源之間都承受了極高的電壓。為了保證裝置的可靠性，必須確保各路驅動電源之間有良好的高壓隔離特性。另外，由于處理高壓等級的時候，所使用的開關管一般比較多，因此，獨立隔離驅動直流電源的數目比較大。

常規的多路直流輸出技術都是基于直流母線分布式電源系統[1]，其中的DC/DC變換器數目多、體積大，而且，當各DC/DC變換器的開關頻率不同的時候，還會發生拍頻干擾，從而使得輸出電壓出現各頻率紋波。常規的高壓隔離技術必須要設計出耐高壓的隔離變壓器，高壓隔離的要求給工藝和結構上都帶來很大困難，而且成本也隨之增加。文獻[2]通過一個多繞組的變壓器，實現了用在三相逆變器4路相互隔離的IGBT驅動電源。

本文所設計的新型多路輸出高壓隔離電源是基于專利技術[3]，其主要思想就是高頻鏈交流電流分布式電源系統的思想。其一次側為提供滿脈沖寬度、電流幅值可調的高頻交流方波電流母線，使其穿過普通環形變壓器，其二次側實現能量傳輸和高壓隔離。

1 拓撲結構

這種基于高頻鏈交流電流母線分布式電源系統的框圖如圖1所示。和直流分布式電源系統[2]一樣，它相對于集中式的電源系統而言，主要有以下幾個優點：

1）負載與電網之間、負載與負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伏等級；

2）擴展特性好，負載的路數可以任意地增減；

3）輸出相同路數隔離的直流電源時，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構主電路如圖2所示。從圖2不難看出，這種電源主要是由兩級來實現，第一級為Buck DC/DC變換，第二級為全橋逆變。新型多路隔離輸出電源次級的主電路結構框圖如圖3所示。一次側交流母線依次穿過所有環形磁芯，經過整流、線性穩壓后，成為多路驅動電源。

2 初級主電路原理

為了減化分析，對初級主電路做以下假設：

1）L1足夠大，也即Buck電路的輸出電流不變，相當于一個恒流源；

2）次級線性穩壓很穩，也即環形變壓器的初級電壓可以等效為一個電壓源，設次級線性穩壓后的電壓為Vo，則環形變壓器的原邊等效電壓為Vo/Ns（其中Ns為環形變壓器副邊匝數）；

3）所有n個次級負載的特性相同；

4）所有的器件都是理想器件。

初級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階段。

圖4 驅動和逆變器輸出電壓電流波形

1）[0，t1]階段 S2，S3，S4，S5同時導通，D1續流，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關閉，S1，S2，S5導通。電感L1充電。等效電路如圖5（b）所示。由圖5(b)不難得關系式（1），即

3）[t2，t3]階段 S1關閉，S2及S5開通，電感L1放電，等效電路如圖5（c）所示。可以得關系式（2），即

4）[t3，t4]階段 S2，S3，S4，S5同時導通，D1續流，等效電路如圖5（d）所示，與圖5（a）過程一樣，這時候，電感電流維持不變。

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

6）[t5，t6]階段 S4及S3導通，D1續流，電感L1放電，等效電路如圖5（f）所示。同樣可得關系式（4），即

圖5

從上面的分析可以知，在一個逆變器的開關周期內雖然有6種工作狀態，但是，在后半周期內，逆變器的等效負載電壓改變了方向，因此，圖5（d）、(e)、(f)過程分別等效圖5(a)、(b)、(c)。這樣便可得電感的伏秒關系式（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，假設逆變器死區時間tdT，則次級變壓器的輸出電流為，在理想無損耗的情況下，可得功率關系式（7），即

Buck變換器輸入電流關系如式（8）所示。

Iin=DIL （8）

3 次級高壓隔離

一般電源要實現高壓隔離，都必須設計出能實現高壓隔離的變壓器。這種耐高壓的變壓器首先必須保證絕緣強度[4]，另外，在線包結構工藝，裝配工藝，絕緣處理等諸多方面都有嚴格要求。如果要做到各路輸出之間的高壓隔離，受到材料、溫升、與其它參數的影響，變壓器體積將會過大，成本很高。如果采用高頻交流電流母線的技術，如圖3所示，原邊只須用一根高壓電纜穿過普通的環形磁芯（即變壓器原邊匝數只有一匝)，就可以實現能量的傳輸和高壓隔離，而高壓隔離的等級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的供電系統就不需要設計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，宜采用磁導率（μr）高，截面積（Ae）大的磁芯。文獻[5]中詳細討論了這種電源傳輸效率和磁芯材料等參數的關系。

4 仿真研究和實驗研究

為了研究這種基于電流母線技術的DPS供電系統的特性，用PSIM仿真和實驗研究了該供電系統特性。仿真和實驗參數設置如下：

L1=2.2mH，C1=470μF；

主功率管采用IRF840；

二極管采用MUR860；

二次線性穩壓在10V；

環形變壓器的副邊匝數Ns=3匝；

Buck電路開關頻率fbuck=200kHz；

全橋逆變器的開關頻率f=100kHz；

電流母線穿過24只磁環，二次每路的輸出功率為5W。

由上面的式（1）～式（8）可以大概地估計一下電路中的參數：

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電路的驅動實驗波形，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動實驗波形。圖9為交流母線電流實驗波形。從圖9不難看出電感電流近似為1.5A。

5 結語

基于高頻交流電流母線技術設計的新型多路直流輸出高壓隔離電源，不僅具有常規DPS電源的特點，還具有很好的負載擴展特性，最重要的就是它不需要耐高壓的隔離變壓器，因此，這種電源系統可以應用于高壓大功率的驅動電源中。目前，該系統已經成功應用在10kV的固態短路限流器中，現計劃用于3300V交流調速系統中。