有源滤波装置的双向DC／DC变换器研制

摘要：为满足强磁场装置电源供电极低的电流纹波要求，采用了有源滤波装置，设计了一种新型的双向DC／DC变换器取代了以往有源电力滤波器(APF)中使用的水冷电阻，将多余能量回馈给系统，从而大大节约了能量损耗。首先简述了当今各种有源滤波技术的优缺点，并介绍了并联型线性APF的工作原理，接着详细分析了双向DC／DC变换器的控制方案设计原理与工作过程，最后对该设计方案进行了仿真与实验验证。由实验波形可知，该双向DC／DC变换器能够顺利实现能量的双向流通。
关键词：变换器；强磁场；有源电力滤波器

1 引言
强磁场一般是指强度超过20 T的稳态磁场或瞬间强度超过50 T的脉冲磁场。稳态强磁场装置所需的高稳定度电源系统功率高达数千千瓦，而其直流侧要求将负载的电流纹波限制在数十ppm以内，一般大功率电源中采用的由电感、电容组成的无源滤波装置很难消除含量极低的非特征纹波，因此单纯依靠无源滤波难以满足该要求，需对大功率高稳定电源增加直流有源滤波装置。直流有源电力滤波按补偿的实现方法可分为线性有源滤波和脉宽调制(PWM)型有源滤波；按接入系统方式，可分为串联型和并联型有源电力滤波。PWM型有源滤波的响应速度不够快，串联型有源滤波的功耗又太大，因此这里采用并联型线性有源滤波。在该装置中，通常使用水冷电阻给电容器进行快速放电，这样会造成很大的能量损耗，此处设计了一种新型双向DC／DC变换器，不仅可以为滤波电容器充电，而且可以将电容器多余的能量回馈到电源侧，取代了以往采用水冷电阻直接耗电的工作方式，从而减少了能量损耗，提高了工作效率。

2 并联型线性APF工作原理介绍
并联型线性APF电路如图1所示。

图中，Lf，Cf组成无源滤波电路，L0，R0为负载，APFS1，APFS2为两组辅助电源，V1，V2为线性调整管，设两电压源对地电压分别为UAPF+，UAPF。通过检测Cf上的纹波电流作为两个调整管的控制信号，控制APF产生双向的补偿电流。这里采用双向DC／DC变换器来实现APFS2的功能。该变换器的稳定工作是并联型线性APF可靠运行的重要部分。

无论电流正向还是反向流动，工作时，双向DC／DC变换器的两端电压均会存在很大压差，从而保证能量顺利传输。由图2示出的线性APF系统电路可知，该双向DC／DC变换器工作时，输入端与输出端电压的差值始终为线性调整管的管压降。故需采用一种新的控制方式来保证变换器可正常双向工作，同时若要保证纹波电流能快速通过双向变换器，变换器中电感参数的设计也尤为重要。图中，电感L3为变压器TX1的漏感与外接电感的组合，TX1的匝比设置为1．5：1。
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3 双向DC／DC变换器主电路工作过程
3．1 变换器反向工作过程分析
当检测到纹波电流处于正半周期时，V2开通，V1关断，双向DC／DC变换器电流从右向左流动。电路控制方式为：TX1右边由开关管V5’ V6’，V7’，V8’构成逆变电路，左边由二极管VD1，VD2，VD3，VD4构成单相整流电路。电路工作时，C3上电压比C2上电压低，差值为V2的管压降，TX1此时起到升压作用，保证能量可顺利地从变换器右边传输到左边。
3．2 变换器正向工作过程分析
当检测到纹波电流处在负半周期时，V1开通，V2关断，双向DC／DC变换器从左向右流过纹波电流。电路在工作时，C2上电压虽比C3上电压略高一点，但经TX1降压后，其输出电压远小于C3上电压，按照通常的逆变整流方式，电流已无法自左向右流动了。此时为保证能量可以顺利从左向右流动，必须采用一种新的控制方式，具体为：TX1左边由V1’，V2’，V3’，V4’构成逆变电路，右边由L3，VD5，V6’，C3，VD8和L3，V8’，VD7，VD6，C3构成上下对称的Boost电路，V6’与V8’在工作时，上下轮流导通。图3为具体工作波形。工作过程如下：①0～t1时段，设C3初始电压uC3=UC，V6’导通，TX1输出正向电压，给L3充电。TX1，L3，VD5，V6’构成回路。L3电压uL3=U，电流iL3增加，uC3保持不变，iC3=0；②t1～t2时段，V6’关断，TX1输出正向电压，uTX1与uL3同时给C3充电，TX1，L3，VD5，C3，VD8构成回路，uL3=-(UC-U)，iL3下降，uC3上升，iC3下降；③t2～T／2时段，V1’，V3’脉冲关断，由于电感电流不能突变，iL3继续给C3充电，TX1，L3，VD5，C3，VD8构成回路，uL3=-(UC+U)，iL3继续下降，下降速率增大，uC3继续上升，iC3继续下降；④T／2～t3时段，iL3下降至零，TX1输出负向电压，此时V8’导通。uTX1通过V8’给L3反向充电，TX1，V8’，VD7，L3构成回路，uL3=-U，iL3反向增加，uC3保持不变，iC3=0；⑤t3～t4时段，V8’关断，TX1输出反向电压，uTX1与uL3同时给C3充电，TX1，VD6，C3，VD7，L3构成回路，uL3=UC-U，iL3反向下降，uC3上升，iC3下降；⑥t4～T时段，V2’，V4’脉冲关断，同理由于电感电流不能突变，iL3继续给C3充电。TX1，VD6，C3，VD7，L3构成回路，uL3=UC+U，iL3继续反向下降，下降速率变大，uC3继续上升，iC3继续下降。之后工作过程与上述过程类似，不再赘述。[p]

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4 主电路参数设计
当变换器反向工作时，由图2可得：
uL3=Ldi／dt=LI／ton，uL3=uC3-2UV-(U0+2UVD)／n (1)
式中：ton为变压器右边开关管导通时间；UV为变压器右边开关管导通压降；UVD为变压器左边二极管导通压降；U0为晶闸管整流输出电压；I为变换器流过的纹波电流有效值。
将式(1)化简可得：


L3越大，变换器正向与反向放电速度均越慢。故实际电感值取式(2)与式(4)中较小值即可。

5 实验结果分析
图4为充放电时L3，C3上电流。由实际运行电流波形可知，双向DC／DC变换器可正常双向工作。

6 结论
设计了一种新型的双向DC／DC变换器，应用在强磁场电源的有源滤波器中。该变换器取代了原来使用的水冷电阻给电容器进行快速放电的工作模式，从而大大减少了能量损耗。阐述了双向DC／DC变换器的工作原理，并对每一个开关工作模态进行了详细的理论分析，同时给出了变换器中重要部分的参数计算，通过样机实验验证可知该设计方案具有很好的可行性。