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動的多輸出開關電源。給出了主電路拓撲結構，敘述了輸出變壓器的結構及特點，分析了系統的工作原理，進行了校驗電源有效性的仿真，開發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展，串接在一起的驅動電源之間，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動系統中，以滿足高電壓隔離的需要；但這同時也使得開關管的驅動電路越來越復雜。如圖1所示是一個使用在三相接地系統中的固態短路限流器。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等級的晶閘管串聯組成。這樣在限流器中的晶閘管總數達到了64個，則至少需要有61路高壓隔離驅動電源用到這些晶閘管的門極驅動中。所以，開發一個新型的電源用作限流器中晶閘管的門極驅動電源是一項非常重要的任務。

圖1 三相接地系統固態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的晶閘管和GTO的門極驅動中。Chang Liuchen^[3]研制了一種驅動板電源用于三相逆變器中大功率IGBT的驅動，它通過一個多繞組的變壓器，實現了4路相互隔離的輸出。這種電源的缺點是隨著輸出路數和隔離電壓的增加會導致變壓器的結構很復雜，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的門極驅動，它使用了一種特殊結構的變壓器，于是只能有一路輸出。如果這種電源被用到如圖1所示的固態短路故障限流器中，61路驅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，用于多管驅動。該開關電源采用了磁環作輸出變壓器，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，經過簡單的整流和穩壓形成一路驅動電源。因而驅動電源路數極易增減，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，如固態短路故障限流器中，此電源已體現了無可比擬的優越性。

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構，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驅動信號，通過簡單組合可形成兩路占空比48％內可調的PWM驅動信號，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。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）由同一個驅動信號控制，實現了同步開通和關斷。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