分布式高壓隔離輔助電源供電裝置

宋 峰 吳建華 譚光韌 楊 杰 丁友濤

（兗州東方機(jī)電有限公司，山東 鄒城 273500）

大功率或中功率電源系統(tǒng)[1]往往需要獨(dú)立于主功率回路的輔助電源對(duì)其供電。輔助電源的輸出功率雖然不大，但它是一個(gè)電源系統(tǒng)中非常重要的部分，將影響到整個(gè)電源系統(tǒng)的性能。例如，一般的高壓變頻器都采用逆變單元串聯(lián)的方式，每個(gè)單元的對(duì)地絕緣電壓要求比較高。這就要求各逆變單元的輔助電源除滿足高穩(wěn)定性和高可靠性的基本要求外，要與主回路電源相互隔離，各個(gè)單元之間也必須相互隔離，并且隔離的電壓等級(jí)要求很高。

在電源系統(tǒng)中，控制、驅(qū)動(dòng)電路往往需要不同的電壓等級(jí)進(jìn)行供電，而同一電壓等級(jí)也需要多個(gè)輔助供電電源。為了滿足這種輔助供電的需求，通常將輸入的電網(wǎng)電壓直接變換成負(fù)載所需要的供電電壓，或者通過增加變換器的輔助繞組來(lái)增加輸出的路數(shù)，再用較長(zhǎng)的連線將轉(zhuǎn)換好的電壓連接到負(fù)載上。這種供電方式稱為集中式供電。這種方法雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，供電獨(dú)立，但成本、體積、重量都會(huì)加大，且在需要有高電壓隔離的應(yīng)用場(chǎng)合，變壓器必須做特殊處理才能滿足高壓隔離的要求。

近年來(lái)，分布式的多路輸出結(jié)構(gòu)有了飛速的發(fā)展并且在一些電源系統(tǒng)中已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用。所謂分布式的電源系統(tǒng)是指將輸入的電網(wǎng)電壓變換成某一中間電壓作為母線，再在需要的地方用一批直流/直流（DC/DC）或整流（AC/DC）變換器，將其變換成系統(tǒng)所需要的電壓。這可以大大的減小重量和體積，提高可靠性，還可以更好的控制達(dá)到各附載板上電源的質(zhì)量。分布式電源系統(tǒng)的冗余性、擴(kuò)展性、靈活性也大大加強(qiáng)。但其也存在一定的問題，就是在需要高壓隔離的場(chǎng)合，（DC/DC）或整流（AC/DC）變換器一次側(cè)和二次側(cè)之間也必須達(dá)到需要滿足的絕緣耐壓要求，這就會(huì)使整個(gè)的成本增加。

在此基礎(chǔ)上，研究提出了一種新型的分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的設(shè)計(jì)方案，該裝置吸取了分布式輔助電源供電方式的優(yōu)點(diǎn)，并且改進(jìn)了其隔離性能，可以根據(jù)需要滿足不同電壓等級(jí)的絕緣耐壓要求。

1 分布式高壓隔離輔助電源供電裝置硬件設(shè)計(jì)

由輔助電源供電裝置主回路電路、控制和檢測(cè)電路部分構(gòu)成。

1.1 輔助電源供電裝置主回路電路

圖1 供電電路原理框圖

如圖1所示，供電裝置的主回路進(jìn)線采用單相交流電源，經(jīng)二極管 D1－D4后整流為直流，再經(jīng)平波電容 C1、C2濾波，得到一個(gè)直流電壓。在控制電路的作用下，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器（Q1、Q2）將直流電壓逆變成交流輸出，經(jīng)負(fù)載（L1，C4或C5）形成閉合回路，得到交流電流。該交流電流直接穿過各個(gè)分支回路的磁芯，在二次回路中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在二次線圈中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓之后產(chǎn)生能供其他設(shè)備使用的輔助電源。主回路與各個(gè)分支回路之間僅通過磁環(huán)內(nèi)的交變磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳遞，就相當(dāng)于一個(gè)有著多個(gè)副邊繞組的變壓器，一次繞組為穿過磁環(huán)的輸出線纜，二次繞組為各個(gè)分支回路磁環(huán)上的二次線圈。一次繞組與二次繞組沒有直接電氣連接，僅在磁環(huán)處相距較近，只要交流線圈（即主回路逆變部分的輸出線纜）額定電壓足夠高，便可實(shí)現(xiàn)主回路與分支回路之間、各分支回路之間高隔離電壓的要求，比如主回路逆變輸出采用額定電壓為10kV，2.5mm2的硅橡膠電纜，便可滿足10kV單元串聯(lián)式高壓變頻器的使用需要。

采用此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有：

1）安裝靈活：主回路交流線圈只穿磁環(huán)一次，各個(gè)磁環(huán)可以方便的移動(dòng)到需要安裝的位置。

2）高隔離性能：一次側(cè)和二次側(cè)的電能通過交流線圈和磁環(huán)的電磁感應(yīng)流通，只要交流線圈的耐壓等級(jí)足夠，各個(gè)二次側(cè)的磁環(huán)電氣間隙足夠，就可以滿足現(xiàn)場(chǎng)高壓隔離的需求。

3）主回路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以消除大部分IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷是產(chǎn)生的諧波。其主回路交流線圈中的電流近似于正弦交流電流。

4）通過調(diào)整磁環(huán)二次側(cè)的繞線匝數(shù)可以方便的調(diào)整輸出輔助電源的電壓等級(jí)。

5）成本低。

1.2 控制和檢測(cè)部分

控制和檢測(cè)部分如圖2所示，由電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、單片機(jī)[2]電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路等組成。

圖2 控制和檢測(cè)部分原理框圖

單片機(jī)電路是整個(gè)裝置的核心處理部分，它實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的保護(hù)邏輯，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖。它可以根據(jù)所檢測(cè)電流值、溫度值調(diào)整所給出的PWM脈沖信號(hào)。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用金升陽(yáng)公司的驅(qū)動(dòng)芯片QP12W05S-37[3]，主要接收單片機(jī)給出的 PWM 信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為 IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而控制主電路的線圈電流。該驅(qū)動(dòng)芯片可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IGBT、隔離主回路和控制回路、實(shí)現(xiàn)過流和短路保護(hù)等功能。

電流檢測(cè)電流檢測(cè)交流線圈中的電流大小，返回給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)主回路的過載保護(hù)。

溫度檢測(cè)電路檢測(cè) IGBT的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT的過溫保護(hù)，防止IGBT因?yàn)楣ぷ髟谶^溫狀態(tài)而損壞。

2 主回路電路部分仿真

根據(jù)上面介紹的主電路結(jié)構(gòu)搭建電路，并用Matlab[4]進(jìn)行了仿真。仿真模型的建立如圖3所示。

圖3 主回路仿真原理圖

其中的電源部分沒有用整流濾波電路，直接采用一個(gè) 312V直流電源加上一個(gè) 100μH的電感 L3代替交流220V整流濾波電路作為仿真電路的電源，這一點(diǎn)不影響仿真的真實(shí)性?；パa(bǔ)脈沖的產(chǎn)生是用兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，其中一個(gè)延時(shí)半個(gè)周期。然后在仿真的時(shí)候用示波器監(jiān)測(cè)負(fù)載電感的電壓、電流和兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖。

在把占空比調(diào)節(jié)到50%的時(shí)候，仿真結(jié)果如圖4所示，自上而下依次是圖2中L兩端的電壓波形、電流波形、和兩路IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖。其中4路波形的橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位是0.001s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用Fluke 43B電能質(zhì)量分析儀實(shí)際測(cè)得圖1中L1的電流、電壓波形如圖5所示，其中波線①為電流波形，波線②為電壓波形，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，每大格 250μs。整個(gè)主回路實(shí)際運(yùn)行與仿真結(jié)果稍有差異，但差別不大，實(shí)測(cè)波形優(yōu)于仿真波形，更接近正弦波。

圖4 主回路仿真電壓（V）、電流（A）和兩路IGBT互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)脈沖（V）

圖5 主電路電壓（V）、電流波形（A）

4 軟件部分實(shí)現(xiàn)

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的主程序軟件流程圖如圖6所示。整個(gè)裝置上電后先初始化和自檢，自檢沒有問題之后先給主回路輸出一個(gè)占空比比較小的驅(qū)動(dòng)脈沖，逐漸調(diào)整脈沖的占空比主回路的電流穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，保證裝置的穩(wěn)定性，而后監(jiān)測(cè)供電電流，如出現(xiàn)過流、過溫之類的故障，則會(huì)報(bào)警停機(jī)，保護(hù)整個(gè)裝置。

整個(gè)程序中也添加了許多抗干擾技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)，防止程序跑飛，使整個(gè)裝置更加可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)論

圖6 高壓帶電體溫度檢測(cè)裝置的軟件流程圖

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室搭建并試驗(yàn)成功，各路分支回路的輸出電壓穩(wěn)定、可靠。主回路電流線圈采用10kV的絕緣電纜，可以供給10kV及以下電壓等級(jí)的電源系統(tǒng)[1]使用，電氣絕緣性能可靠并且可以通過更換主回路的電流線圈滿足更高絕緣電壓等級(jí)的要求。并且該裝置所輸出輔助電源的部分體積小、成本低，可以直接放置到電源系統(tǒng)[1]需要輔助電源的電路板上面，也可以通過接線的方式連接到需要輔助電源供電的地方，安裝方便。

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置很好的解決了傳統(tǒng)輔助電源隔離性能差的問題，可以根據(jù)需要滿足不同電壓等級(jí)的絕緣耐壓要求，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用前景。

[1] 李晗.電壓源型分布式輔助電源的研究.[D].杭州:浙江大學(xué),2006.

[2] 謝運(yùn)祥,歐陽(yáng)森.電力電子單片機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.1.

[3] http://www.mornsun.cn//UploadFiles/pdf/QP12W05S-37_CN.pdf .

[4] 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和方針[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.1.