新型多路直流输出高压隔离电源的研究

首先，介绍了基于高频链交流电流母线分布式电源系统的原理，这种系统除具有一般分布式电源系统的优点之外，还具有很好的负载扩展特性、较高的电气隔离特性等优点；然后，基于该原理设计了一种能够提供脉冲宽度不变，幅值可调的高频交流电流母线电源；分析了这种电源的工作过程。实验样机成功地应用在10kV固态短路限流器中。

电力电子装置处理高电压大容量等级的技术方案主要有以下几种：  

1）采用高容量等级的开关器件或者器件的串并联；  
2）采用级联的多电平变换器技术。  

无论采用哪种技术，串接在一个桥臂或级联的H桥臂之间的功率管的驱动电源之间都承受了极高的电压。为了保证装置的可靠性，必须确保各路驱动电源之间有良好的高压隔离特性。另外，由于处理高压等级的时候，所使用的开关管一般比较多，因此，独立隔离驱动直流电源的数目比较大。  

常规的多路直流输出技术都是基于直流母线分布式电源系统，其中的DC/DC变换器数目多、体积大，而且，当各DC/DC变换器的开关频率不同的时候，还会发生拍频干扰，从而使得输出电压出现各频率纹波。常规的高压隔离技术必须要设计出耐高压的隔离变压器，高压隔离的要求给工艺和结构上都带来很大困难，而且成本也随之增加。文献通过一个多绕组的变压器，实现了用在三相逆变器4路相互隔离的IGBT驱动电源。  

本文所设计的新型多路输出高压隔离电源是基于专利技术，其主要思想就是高频链交流电流分布式电源系统的思想。其一次侧为提供满脉冲宽度、电流幅值可调的高频交流方波电流母线，使其穿过普通环形变压器，其二次侧实现能量传输和高压隔离。  

1 拓扑结构  

这种基于高频链交流电流母线分布式电源系统的框图如图1所示。和直流分布式电源系统一样，它相对于集中式的电源系统而言，主要有以下几个优点：


  
1）负载与电网之间、负载与负载之间有较好的电气隔离性能，隔离可以很容易地做到上万伏等级；  
2）扩展特性好，负载的路数可以任意地增减；  
3）输出相同路数隔离的直流电源时，可靠性高、体积小、重量轻，成本也要低很多。  

新型多路输出高压隔离电源的一次结构主电路如图2所示。从图2不难看出，这种电源主要是由两级来实现，第一级为Buck DC/DC变换，第二级为全桥逆变。新型多路隔离输出电源次级的主电路结构框图如图3所示。一次侧交流母线依次穿过所有环形磁芯，经过整流、线性稳压后，成为多路驱动电源。



2 初级主电路原理  

为了减化分析，对初级主电路做以下假设：  

1）L1足够大，也即Buck电路的输出电流不变，相当于一个恒流源；  
2）次级线性稳压很稳，也即环形变压器的初级电压可以等效为一个电压源，设次级线性稳压后的电压为Vo，则环形变压器的原边等效电压为Vo/Ns（其中Ns为环形变压器副边匝数）；  
3）所有n个次级负载的特性相同；  
4）所有的器件都是理想器件。  

初级主电路控制和主要波形如图4所示。从图4可以看出其工作主要分以下几个阶段。  

图4 驱动和逆变器输出电压电流波形  

1）[0，t1]阶段 S2，S3，S4，S5同时导通，D1续流，等效电路如图5（a）所示。从图5(a)不难看出，在理想的情况下，电感的电流将维持不变。  

2）[t1，t2]阶段 S3及S4关闭，S1，S2，S5导通。电感L1充电。等效电路如图5（b）所示。由图5(b)不难得关系式（1），即  



  
3）[t2，t3]阶段 S1关闭，S2及S5开通，电感L1放电，等效电路如图5（c）所示。可以得关系式（2），即  



  
4）[t3，t4]阶段 S2，S3，S4，S5同时导通，D1续流，等效电路如图5（d）所示，与图5（a）过程一样，这时候，电感电流维持不变。  
5）[t4，t5]阶段 S1，S4，S3导通，电感L1充电。等效电路如图5（e）所示。同样可得关系式（3），即  



  
6）[t5，t6]阶段 S4及S3导通，D1续流，电感L1放电，等效电路如图5（f）所示。同样可得关系式（4），即
图5  
从上面的分析可以知，在一个逆变器的开关周期内虽然有6种工作状态，但是，在后半周期内，逆变器的等效负载电压改变了方向，因此，图5（d）、(e)、(f)过程分别等效图5(a)、(b)、(c)。这样便可得电感的伏秒关系式（5），即



  
由式（5）得Buck电路的占空比为  



  
令电感L1的平均电流为IL，假设逆变器死区时间td<<T，则次级变压器的输出电流为，在理想无损耗的情况下，可得功率关系式（7），即  



  
Buck变换器输入电流关系如式（8）所示。  

Iin=DIL    （8）  

3 次级高压隔离  

一般电源要实现高压隔离，都必须设计出能实现高压隔离的变压器。这种耐高压的变压器首先必须保证绝缘强度，另外，在线包结构工艺，装配工艺，绝缘处理等诸多方面都有严格要求。如果要做到各路输出之间的高压隔离，受到材料、温升、与其它参数的影响，变压器体积将会过大，成本很高。如果采用高频交流电流母线的技术，如图3所示，原边只须用一根高压电缆穿过普通的环形磁芯（即变压器原边匝数只有一匝)，就可以实现能量的传输和高压隔离，而高压隔离的等级随着电缆绝缘水平的升高而提高。因此，这种基于高频交流母线技术的供电系统就不需要设计专用耐高压的变压器。采用交流母线传输功率和隔离的方案，由于原边匝数只有一匝，激磁电感比较小，如式（9）所示。  


  
为了提高传输效率，宜采用磁导率（μr）高，截面积（Ae）大的磁芯。文献中详细讨论了这种电源传输效率和磁芯材料等参数的关系。  

4 仿真研究和实验研究  

为了研究这种基于电流母线技术的DPS供电系统的特性，用PSIM仿真和实验研究了该供电系统特性。仿真和实验参数设置如下：  

L1=2.2mH，C1=470μF；  
主功率管采用IRF840；  
二极管采用MUR860；  
二次线性稳压在10V；  
环形变压器的副边匝数Ns=3匝；  
Buck电路开关频率fbuck=200kHz；  
全桥逆变器的开关频率f=100kHz；  
电流母线穿过24只磁环，二次每路的输出功率为5W。  

由上面的式（1）～式（8）可以大概地估计一下电路中的参数：  

IL=1.5A    （10）  
D=120/300=0.4    (11)  

图6是逆变器输出的电压波形和电流仿真波形。图7为Buck电路的驱动实验波形，从图7不难看出Buck变换器的占空比近似为0.4。图8为全桥逆变电路的驱动实验波形。图9为交流母线电流实验波形。从图9不难看出电感电流近似为1.5A。






  
5 结语  

基于高频交流电流母线技术设计的新型多路直流输出高压隔离电源，不仅具有常规DPS电源的特点，还具有很好的负载扩展特性，最重要的就是它不需要耐高压的隔离变压器，因此，这种电源系统可以应用于高压大功率的驱动电源中。目前，该系统已经成功应用在10kV的固态短路限流器中，现计划用于3300V交流调速系统中。