大功率裝置用多路輸出高壓隔離新型開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：基于專利技術(shù)^[1]，通過設(shè)計(jì)高頻交流電流源和一種特殊的輸出變壓器，研制了一種用于短路故障限流器中晶閘管驅(qū)動(dòng)的多輸出開關(guān)電源。給出了主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，敘述了輸出變壓器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行了校驗(yàn)電源有效性的仿真，開發(fā)了一臺(tái)樣機(jī)并成功應(yīng)用在限流器實(shí)驗(yàn)裝置中。

關(guān)鍵詞：多路輸出；高壓隔離；驅(qū)動(dòng)電源；短路故障限流器

1 引言

隨著高壓大功率電力電子裝置的不斷發(fā)展，串接在一起的驅(qū)動(dòng)電源之間，往往需要承受極高的工作電壓。近來，多級(jí)隔離技術(shù)越來越多地被用在電路的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，以滿足高電壓隔離的需要；但這同時(shí)也使得開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路越來越復(fù)雜。如圖1所示是一個(gè)使用在三相接地系統(tǒng)中的固態(tài)短路限流器。它是由晶閘管三相整流器和一個(gè)限流電感組成的。限流器主要被用在15kV的電力系統(tǒng)中。考慮到電源電壓的波動(dòng)，晶閘管阻斷電壓限制和均壓系數(shù)等因素，圖1中所示限流器中的每個(gè)晶閘管閥在實(shí)際中必須要用8個(gè)6kV等級(jí)的晶閘管串聯(lián)組成。這樣在限流器中的晶閘管總數(shù)達(dá)到了64個(gè)，則至少需要有61路高壓隔離驅(qū)動(dòng)電源用到這些晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)中。所以，開發(fā)一個(gè)新型的電源用作限流器中晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電源是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。

圖1 三相接地系統(tǒng)固態(tài)短路限流器主電路拓?fù)?

Dusan M. Raonic^[2]提出了一種晶閘管自我供能的門極驅(qū)動(dòng)方式，它把一個(gè)緩沖電容作為能量存貯單元，解決了幾乎每個(gè)功率開關(guān)管都存在的對(duì)隔離電源的需求。但是，這種方式只能被用于工作在功率變換器直流側(cè)的晶閘管和GTO的門極驅(qū)動(dòng)中。Chang Liuchen^[3]研制了一種驅(qū)動(dòng)板電源用于三相逆變器中大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)，它通過一個(gè)多繞組的變壓器，實(shí)現(xiàn)了4路相互隔離的輸出。這種電源的缺點(diǎn)是隨著輸出路數(shù)和隔離電壓的增加會(huì)導(dǎo)致變壓器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，體積極龐大。Heinemann Lothar et al^[4]提出了一種具有超高壓隔離性能的電源用作IGBT的門極驅(qū)動(dòng)，它使用了一種特殊結(jié)構(gòu)的變壓器，于是只能有一路輸出。如果這種電源被用到如圖1所示的固態(tài)短路故障限流器中，61路驅(qū)動(dòng)電源將會(huì)不可避免地導(dǎo)致裝置體積龐大，而且安裝和配線都會(huì)有很大的不便。

基于專利技術(shù)^[1]，研制了一種具有多路輸出，高壓隔離性能的實(shí)用新型開關(guān)電源，用于多管驅(qū)動(dòng)。該開關(guān)電源采用了磁環(huán)作輸出變壓器，僅由無需彎曲的電纜穿過1次形成單匝原邊，副邊就可以輸出10W以上的功率，經(jīng)過簡(jiǎn)單的整流和穩(wěn)壓形成一路驅(qū)動(dòng)電源。因而驅(qū)動(dòng)電源路數(shù)極易增減，既可按裝置需要隨意安裝，又易達(dá)到極高的隔離電壓(僅取決于電纜的絕緣性)。應(yīng)用在要求很多路輸出，高隔離電壓的大功率裝置，如固態(tài)短路故障限流器中，此電源已體現(xiàn)了無可比擬的優(yōu)越性。

2 主電路拓?fù)?

新型電源的主電路拓?fù)淙鐖D2所示。它由5個(gè)部分組成。第一部分是一個(gè)由4個(gè)二極管組成的單相整流器。第二部分是半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它主要由MOSFETS3及S₄和電容C₁及C₂組成。這個(gè)部分是新型電源中輔助電源的主電路。

圖2 新型電源的主電路拓?fù)?

第三部分的功能是產(chǎn)生一個(gè)幅值恒定的直流電流I₁。由于這里采用的PWM開關(guān)控制芯片是專門為移相全橋變換器電路設(shè)計(jì)的，滿足全橋變換器需要的4路48％占空比的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過簡(jiǎn)單組合可形成兩路占空比48％內(nèi)可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所以恒流源的主電路采用了一個(gè)雙Buck的電路拓?fù)?。這個(gè)雙Buck變換器等效于兩個(gè)普通的單Buck變換器的并聯(lián)。MOSFET S₁，二極管D₁，電感L₂組成了一個(gè)單Buck變換器；MOSFET S₂，二極管D₂，電感L₃組成了另一個(gè)。這兩個(gè)單Buck變換器分別由兩路互補(bǔ)對(duì)稱的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。它們和電感L₁，二極管D₃一起組成了雙Buck變換器。兩個(gè)單Buck變換器共同使用電感L₁，這樣電感L₂和L₃的體積和重量都可以減小。二極管D₃的功能是箝制恒流輸出型雙Buck變換器的輸出電壓，使它不超過整流器的輸出電壓。

第四部分是一個(gè)單相的全橋變換器，它把幅值恒定的直流電流I₁變換成高頻的交流電流i₂。S₅和S₈（或S₆和S₇）由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了同步開通和關(guān)斷。S₁及S₂和S₅～S₈的控制信號(hào)如圖3所示。當(dāng)S₆及S₇開通且S₅及S₈關(guān)斷時(shí)，按照?qǐng)D2所定義的i₂的正方向，i₂為正值。而當(dāng)S₆及S₇關(guān)斷且S₅及S₈開通時(shí)，i₂為負(fù)值。電流i₂的波形是方波。和電壓型的全橋變換器不同的是，為了避免由于單相變換器中的4個(gè)MOSFET同時(shí)關(guān)斷引起的過壓，S₅及S₈應(yīng)該在S₆及S₇開通以后再關(guān)斷，反之亦然。延時(shí)時(shí)間t_d如圖3所示。

(a) S₁控制信號(hào)

(b) S₂控制信號(hào)

(c) S₅及S₈控制信號(hào)

(d) S₆及S₇控制信號(hào)

圖3 MOSFET的控制信號(hào)