有源濾波裝置的雙向DC／DC變換器研制

摘要：為滿足強磁場裝置電源供電極低的電流紋波要求，采用了有源濾波裝置，設計了一種新型的雙向DC／DC變換器取代了以往有源電力濾波器(APF)中使用的水冷電阻，將多余能量回饋給系統，從而大大節約了能量損耗。首先簡述了當今各種有源濾波技術的優缺點，并介紹了并聯型線性APF的工作原理，接著詳細分析了雙向DC／DC變換器的控制方案設計原理與工作過程，最后對該設計方案進行了仿真與實驗驗證。由實驗波形可知，該雙向DC／DC變換器能夠順利實現能量的雙向流通。
關鍵詞：變換器；強磁場；有源電力濾波器

1 引言
強磁場一般是指強度超過20 T的穩態磁場或瞬間強度超過50 T的脈沖磁場。穩態強磁場裝置所需的高穩定度電源系統功率高達數千千瓦，而其直流側要求將負載的電流紋波限制在數十ppm以內，一般大功率電源中采用的由電感、電容組成的無源濾波裝置很難消除含量極低的非特征紋波，因此單純依靠無源濾波難以滿足該要求，需對大功率高穩定電源增加直流有源濾波裝置。直流有源電力濾波按補償的實現方法可分為線性有源濾波和脈寬調制(PWM)型有源濾波；按接入系統方式，可分為串聯型和并聯型有源電力濾波。PWM型有源濾波的響應速度不夠快，串聯型有源濾波的功耗又太大，因此這里采用并聯型線性有源濾波。在該裝置中，通常使用水冷電阻給電容器進行快速放電，這樣會造成很大的能量損耗，此處設計了一種新型雙向DC／DC變換器，不僅可以為濾波電容器充電，而且可以將電容器多余的能量回饋到電源側，取代了以往采用水冷電阻直接耗電的工作方式，從而減少了能量損耗，提高了工作效率。

2 并聯型線性APF工作原理介紹
并聯型線性APF電路如圖1所示。

圖中，Lf，Cf組成無源濾波電路，L0，R0為負載，APFS1，APFS2為兩組輔助電源，V1，V2為線性調整管，設兩電壓源對地電壓分別為UAPF+，UAPF。通過檢測Cf上的紋波電流作為兩個調整管的控制信號，控制APF產生雙向的補償電流。這里采用雙向DC／DC變換器來實現APFS2的功能。該變換器的穩定工作是并聯型線性APF可靠運行的重要部分。

無論電流正向還是反向流動，工作時，雙向DC／DC變換器的兩端電壓均會存在很大壓差，從而保證能量順利傳輸。由圖2示出的線性APF系統電路可知，該雙向DC／DC變換器工作時，輸入端與輸出端電壓的差值始終為線性調整管的管壓降。故需采用一種新的控制方式來保證變換器可正常雙向工作，同時若要保證紋波電流能快速通過雙向變換器，變換器中電感參數的設計也尤為重要。圖中，電感L3為變壓器TX1的漏感與外接電感的組合，TX1的匝比設置為1．5：1。