大功率裝置用多路輸出高壓隔離新型開關電源設計

摘要：基于專利技術^[1]，通過設計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)動的多輸出開關電源。給出了主電路拓撲結(jié)構(gòu)，敘述了輸出變壓器的結(jié)構(gòu)及特點，分析了系統(tǒng)的工作原理，進行了校驗電源有效性的仿真，開發(fā)了一臺樣機并成功應用在限流器實驗裝置中。

關鍵詞：多路輸出；高壓隔離；驅(qū)動電源；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)動電源之間，往往需要承受極高的工作電壓。近來，多級隔離技術越來越多地被用在電路的驅(qū)動系統(tǒng)中，以滿足高電壓隔離的需要；但這同時也使得開關管的驅(qū)動電路越來越復雜。如圖1所示是一個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，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晶閘管閥在實際中必須要用8個6kV等級的晶閘管串聯(lián)組成。這樣在限流器中的晶閘管總數(shù)達到了64個，則至少需要有61路高壓隔離驅(qū)動電源用到這些晶閘管的門極驅(qū)動中。所以，開發(fā)一個新型的電源用作限流器中晶閘管的門極驅(qū)動電源是一項非常重要的任務。

圖1 三相接地系統(tǒng)固態(tài)短路限流器主電路拓撲

Dusan M. Raonic^[2]提出了一種晶閘管自我供能的門極驅(qū)動方式，它把一個緩沖電容作為能量存貯單元，解決了幾乎每個功率開關管都存在的對隔離電源的需求。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)動中。Chang Liuchen^[3]研制了一種驅(qū)動板電源用于三相逆變器中大功率IGBT的驅(qū)動，它通過一個多繞組的變壓器，實現(xiàn)了4路相互隔離的輸出。這種電源的缺點是隨著輸出路數(shù)和隔離電壓的增加會導致變壓器的結(jié)構(gòu)很復雜，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，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)動電源將會不可避免地導致裝置體積龐大，而且安裝和配線都會有很大的不便。

基于專利技術^[1]，研制了一種具有多路輸出，高壓隔離性能的實用新型開關電源，用于多管驅(qū)動。該開關電源采用了磁環(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)過簡單的整流和穩(wěn)壓形成一路驅(qū)動電源。因而驅(qū)動電源路數(shù)極易增減，既可按裝置需要隨意安裝，又易達到極高的隔離電壓(僅取決于電纜的絕緣性)。應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 主電路拓撲

新型電源的主電路拓撲如圖2所示。它由5個部分組成。第一部分是一個由4個二極管組成的單相整流器。第二部分是半橋拓撲結(jié)構(gòu)，它主要由MOSFETS3及S₄和電容C₁及C₂組成。這個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撲

第三部分的功能是產(chǎn)生一個幅值恒定的直流電流I₁。由于這里采用的PWM開關控制芯片是專門為移相全橋變換器電路設計的，滿足全橋變換器需要的4路48％占空比的PWM驅(qū)動信號，通過簡單組合可形成兩路占空比48％內(nèi)可調(diào)的PWM驅(qū)動信號，所以恒流源的主電路采用了一個雙Buck的電路拓撲。這個雙Buck變換器等效于兩個普通的單Buck變換器的并聯(lián)。MOSFET S₁，二極管D₁，電感L₂組成了一個單Buck變換器；MOSFET S₂，二極管D₂，電感L₃組成了另一個。這兩個單Buck變換器分別由兩路互補對稱的PWM驅(qū)動信號控制。它們和電感L₁，二極管D₃一起組成了雙Buck變換器。兩個單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）由同一個驅(qū)動信號控制，實現(xiàn)了同步開通和關斷。S₁及S₂和S₅～S₈的控制信號如圖3所示。當S₆及S₇開通且S₅及S₈關斷時，按照圖2所定義的i₂的正方向，i₂為正值。而當S₆及S₇關斷且S₅及S₈開通時，i₂為負值。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MOSFET同時關斷引起的過壓，S₅及S₈應該在S₆及S₇開通以后再關斷，反之亦然。延時時間t_d如圖3所示。

(a) S₁控制信號

(b) S₂控制信號

(c) S₅及S₈控制信號

(d) S₆及S₇控制信號

圖3 MOSFET的控制信號