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新型多路直流輸出高壓隔離電源的研究

發(fā)布時間:2010-11-10 21:13    發(fā)布者:techshare
關(guān)鍵詞: 多路 , 高壓 , 隔離電源 , 直流輸出
首先,介紹了基于高頻鏈交流電流母線分布式電源系統(tǒng)的原理,這種系統(tǒng)除具有一般分布式電源系統(tǒng)的優(yōu)點之外,還具有很好的負載擴展特性、較高的電氣隔離特性等優(yōu)點;然后,基于該原理設(shè)計了一種能夠提供脈沖寬度不變,幅值可調(diào)的高頻交流電流母線電源;分析了這種電源的工作過程。實驗樣機成功地應(yīng)用在10kV固態(tài)短路限流器中。

電力電子裝置處理高電壓大容量等級的技術(shù)方案主要有以下幾種:  

1)采用高容量等級的開關(guān)器件或者器件的串并聯(lián);  
2)采用級聯(lián)的多電平變換器技術(shù)。  

無論采用哪種技術(shù),串接在一個橋臂或級聯(lián)的H橋臂之間的功率管的驅(qū)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(qū)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(guān)管一般比較多,因此,獨立隔離驅(qū)動直流電源的數(shù)目比較大。  

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

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

1 拓撲結(jié)構(gòu)  

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



  
1)負載與電網(wǎng)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(shù)可以任意地增減;  
3)輸出相同路數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn),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(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。一次側(cè)交流母線依次穿過所有環(huán)形磁芯,經(jīng)過整流、線性穩(wěn)壓后,成為多路驅(qū)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(shè):  

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(wěn)壓很穩(wěn),也即環(huán)形變壓器的初級電壓可以等效為一個電壓源,設(shè)次級線性穩(wěn)壓后的電壓為Vo,則環(huán)形變壓器的原邊等效電壓為Vo/Ns(其中Ns為環(huán)形變壓器副邊匝數(shù));  
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(qū)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(dǎo)通,D1續(xù)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(guān)閉,S1,S2,S5導(dǎo)通。電感L1充電。等效電路如圖5(b)所示。由圖5(b)不難得關(guān)系式(1),即  




  
3)[t2,t3]階段 S1關(guān)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(guān)系式(2),即  




  
4)[t3,t4]階段 S2,S3,S4,S5同時導(dǎo)通,D1續(xù)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(dǎo)通,電感L1充電。等效電路如圖5(e)所示。同樣可得關(guān)系式(3),即  




  
6)[t5,t6]階段 S4及S3導(dǎo)通,D1續(xù)流,電感L1放電,等效電路如圖5(f)所示。同樣可得關(guān)系式(4),即
圖5  
從上面的分析可以知,在一個逆變器的開關(guān)周期內(nèi)雖然有6種工作狀態(tài),但是,在后半周期內(nèi),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(guān)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(shè)逆變器死區(qū)時間td<



  
Buck變換器輸入電流關(guān)系如式(8)所示。  

Iin=DIL    (8)  

3 次級高壓隔離  

一般電源要實現(xiàn)高壓隔離,都必須設(shè)計出能實現(xiàn)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,另外,在線包結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù),如圖3所示,原邊只須用一根高壓電纜穿過普通的環(huán)形磁芯(即變壓器原邊匝數(shù)只有一匝),就可以實現(xiàn)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(shù)的供電系統(tǒng)就不需要設(shè)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(shù)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(dǎo)率(μr)高,截面積(Ae)大的磁芯。文獻中詳細討論了這種電源傳輸效率和磁芯材料等參數(shù)的關(guān)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(shù)的DPS供電系統(tǒng)的特性,用PSIM仿真和實驗研究了該供電系統(tǒng)特性。仿真和實驗參數(shù)設(shè)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(wěn)壓在10V;  
環(huán)形變壓器的副邊匝數(shù)Ns=3匝;  
Buck電路開關(guān)頻率fbuck=200kHz;  
全橋逆變器的開關(guān)頻率f=100kHz;  
電流母線穿過24只磁環(huán),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(shù):  

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(qū)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(qū)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(jié)語  

基于高頻交流電流母線技術(shù)設(shè)計的新型多路直流輸出高壓隔離電源,不僅具有常規(guī)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(tǒng)可以應(yīng)用于高壓大功率的驅(qū)動電源中。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在10kV的固態(tài)短路限流器中,現(xiàn)計劃用于3300V交流調(diào)速系統(tǒng)中。
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