大功率装置用多路输出高压隔离新型开关电源设计-电源网

1 引言

随着高压大功率电力电子装置的不断发展，串接在一起的驱动电源之间，往往需要承受极高的工作电压。近来，多级隔离技术越来越多地被用在电路的驱动系统中，以满足高电压隔离的需要；但这同时也使得开关管的驱动电路越来越复杂。如图1所示是一个使用在三相接地系统中的固态短路限流器。它是由晶闸管三相整流器和一个限流电感组成的。限流器主要被用在15kV的电力系统中。考虑到电源电压的波动，晶闸管阻断电压限制和均压系数等因素，图1中所示限流器中的每个晶闸管阀在实际中必须要用8个6kV等级的晶闸管串联组成。这样在限流器中的晶闸管总数达到了64个，则至少需要有61路高压隔离驱动电源用到这些晶闸管的门极驱动中。所以，开发一个新型的电源用作限流器中晶闸管的门极驱动电源是一项非常重要的任务。

图1 三相接地系统固态短路限流器主电路拓扑

2 主电路拓扑

新型电源的主电路拓扑如图2所示。它由5个部分组成。第一部分是一个由4个二极管组成的单相整流器。第二部分是半桥拓扑结构，它主要由MOSFETS3及S4和电容C1及C2组成。这个部分是新型电源中辅助电源的主电路。

图2 新型电源的主电路拓扑

第三部分的功能是产生一个幅值恒定的直流电流I1。由于这里采用的PWM开关控制芯片是专门为移相全桥变换器电路设计的，满足全桥变换器需要的4路48%占空比的PWM驱动信号，通过简单组合可形成两路占空比48%内可调的PWM驱动信号，所以恒流源的主电路采用了一个双Buck的电路拓扑。这个双Buck变换器等效于两个普通的单Buck变换器的并联。MOSFETS1，二极管D1，电感L2组成了一个单Buck变换器;MOSFET S2，二极管D2，电感L3组成了另一个。这两个单Buck变换器分别由两路互补对称的PWM驱动信号控制。它们和电感L1，二极管D3一起组成了双Buck变换器。两个单Buck变换器共同使用电感L1，这样电感L2和L3的体积和重量都可以减小。二极管D3的功能是箝制恒流输出型双Buck变换器的输出电压，使它不超过整流器的输出电压。

第四部分是一个单相的全桥变换器，它把幅值恒定的直流电流I1变换成高频的交流电流i2。S5和S8(或S6和S7)由同一个驱动信号控制，实现了同步开通和关断。S1及S2和S5～S8的控制信号如图3所示。当S6及S7开通且S5及S8关断时，按照图2所定义的i2的正方向，i2为正值。而当S6及S7关断且S5及S8开通时，i2为负值。电流i2的波形是方波。和电压型的全桥变换器不同的是，为了避免由于单相变换器中的4个MOSFET同时关断引起的过压，S5及S8应该在S6及S7开通以后再关断，反之亦然。延时时间td如图3所示。

(a) S1控制信号

(b) S2控制信号

(d) S6及S7控制信号

图3 MOSFET的控制信号

第五部分包括T1，T2，……Tn是一些特殊结构的变压器和电流i2的电缆线的引线电感L4。为了减小这个新型电源的体积，功率开关管必须工作在一个很高的频率下。这里采用了多谐振荡零电压软开关技术减小开关损耗，减小器件的电压电流应力，并获得良好的电磁兼容性。所有8个功率开关管都工作在软开关模式下。R3是一个电流检测电阻用作电源的短路保护。R4是另一个电流检测电阻，用来实现电流I1的闭环控制。

3 实验结果

根据原理分析及仿真验证，开发了一台700W的电源样机，已经成功使用在380V限流器实验装置中，实现了长期可靠运行。用一无感电阻对输出电流i2取样，并把示波器采集的数据用Origin数据分析软件还原。电源样机每个输出变压器的副边绕组都是3匝。每路驱动电源的负载阻抗都是25Ω。它的主要特性如下：驱动电源路数为12(可以更大);每路驱动电源输出功率可达20W；各路驱动电源之间的隔离电压为40kV。

4 结语

开发了一种新型的用于短路故障限流器中晶闸管驱动的多输出开关电源。设计电源的输出路数足以用来驱动所有使用在限流器中的晶闸管。使用超高压绝缘的电缆线作为所有输出变压器单匝的原边绕组，电源输出之间的隔离电压可以达到相当高的等级。根据限流器中的晶闸管的实际需要，电源输出级的路数和安装位置可以很容易地改变。相对于用其他方式研制的具有相同输出路数，相同功率，相同隔离电压的电源，该电源具有体积小，重量轻，效率高，可靠性强，价格低等显著优点。使用在大功率的装置中，新型电源也可以很好地适应那些具有大量功率电子器件的，如多用途的大型电机驱动系统的需要。