基于MOSFET的大功率快速放大器技術(shù)研究

許守東　陳勇　李勝男　何鑫　馮自權(quán)

摘要：目前變電站二次設(shè)備測(cè)試時(shí)主要采取分體測(cè)試，整體通流的方法。無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體測(cè)試的原因主要受限于大功率電流放大器技術(shù)，一方面是因?yàn)榉糯笃黧w積龐大，笨重，電源功率要求較高，變電站現(xiàn)場(chǎng)安裝移動(dòng)困難；另一方面是大電流輸出幅值、負(fù)載、電流精度、電流響應(yīng)速度不能滿(mǎn)足要求?；贛OSFET的大功率快速放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大器2000A的電流輸出，同時(shí)電流輸出響應(yīng)速度小于500us，體積小，重量輕，移動(dòng)方便，使二次設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)整體測(cè)試成為現(xiàn)實(shí)，對(duì)變電站調(diào)試檢修具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：金屬一氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）；大功率；快速；響應(yīng)時(shí)間；整體測(cè)試

0引言

隨著人們生活水平的提高，社會(huì)對(duì)電能的需求量也越來(lái)越大，電能已經(jīng)成為人們生活和社會(huì)發(fā)展不可缺少的能源之一。目前，變電站的數(shù)量在不斷增加，設(shè)備也在逐年增加，人們對(duì)變電站的檢修和保養(yǎng)工作也越來(lái)越重視。但是我國(guó)所有變電站的二次設(shè)備檢修方法粗放、效率低、針對(duì)性不強(qiáng)，這些都直接影響著電力設(shè)備的安全和供電的可靠性。尤其是近些年隨著智能變電站的大力推廣建設(shè)，二次設(shè)備之間采用虛端子連接技術(shù)，使得變電站二次設(shè)備的調(diào)試檢修服務(wù)技術(shù)門(mén)檻大大提高，同時(shí)，調(diào)試檢修工作強(qiáng)度和內(nèi)容也增加了至少一倍，電力檢修公司無(wú)論從檢修人員調(diào)配還是檢修服務(wù)已經(jīng)很難把控，而二次設(shè)備檢修不到位將直接威脅到電網(wǎng)的安全和可靠。所以，很有必要開(kāi)發(fā)一種二次設(shè)備整體測(cè)試技術(shù)，從一次設(shè)備加量，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備整體測(cè)試。

二次設(shè)備整體測(cè)試是從電流互感器一次側(cè)直接加量，模擬電網(wǎng)各種短路故障，實(shí)現(xiàn)變電站二次合并單元、保護(hù)裝置、智能終端和刀閘斷路器等整體測(cè)試的一種技術(shù)手段。要想互感器一次側(cè)加量實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備整體測(cè)試，大功率放大器是關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要介紹一種基于MOSFET的大功率快速放大器技術(shù)，通過(guò)研究電流影Ⅱ向速度對(duì)保護(hù)裝置的影響，分析大功率快速放大器技術(shù)實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備整體測(cè)試的可行性。

1電流響應(yīng)速度對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響

目前，繼電保護(hù)裝置大部分都使用暫態(tài)分量作為保護(hù)邏輯判據(jù)，在試驗(yàn)中需要模擬和確定電流突變量、電壓突變量、頻率突變量和阻抗突變量等。因此，繼電保護(hù)裝置裝置所輸出的突變量的上升速率（響應(yīng)速度）即測(cè)試裝置的暫態(tài)特性應(yīng)滿(mǎn)足繼電保護(hù)測(cè)試儀器相關(guān)規(guī)范要求。在繼電保護(hù)測(cè)試儀器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確規(guī)定，繼電保護(hù)裝置測(cè)試儀器輸出電流和輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于100us。

現(xiàn)在變電站保護(hù)屏柜調(diào)試基本上都是繼電保護(hù)測(cè)試儀的電流電壓、開(kāi)入、開(kāi)出信號(hào)直接接到被測(cè)保護(hù)裝置所在屏柜對(duì)應(yīng)的端子排上，按照調(diào)試大綱或者說(shuō)明書(shū)對(duì)各保護(hù)功能進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)試。繼電保護(hù)測(cè)試儀的電流上升下降時(shí)間小于100us，而在實(shí)際的各種電氣設(shè)備故障時(shí)，故障電流流到保護(hù)裝置小于10us，基本上都是瞬時(shí)的。而保護(hù)裝置在瞬時(shí)性故障時(shí)，經(jīng)過(guò)CPU處理和繼電器的動(dòng)作延時(shí)，基本上實(shí)際的出口時(shí)間也都大于10ms，所以測(cè)試儀電流響應(yīng)時(shí)間的100us，對(duì)保護(hù)裝置的測(cè)試沒(méi)有影響。

繼電保護(hù)測(cè)試儀器輸出的是二次值的小電流信號(hào)，而實(shí)現(xiàn)一次變電站二次系統(tǒng)整體測(cè)試需要大電流功率放大器從互感器一次側(cè)加量。受限于硬件產(chǎn)品性能等技術(shù)條件，目前大電流功率放大器電流上升下降時(shí)間最多可以控制在500us以?xún)?nèi)，而保護(hù)動(dòng)作時(shí)間出口基本都在10ms以上，因此，理論上大電流功率放大器的電流Ⅱ向應(yīng)速度為500us是可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求的。

為了驗(yàn)證功率放大器電流響應(yīng)速度為500us是否對(duì)保護(hù)邏輯判斷產(chǎn)生影Ⅱ向，本文通過(guò)PN4661繼電保護(hù)測(cè)試儀對(duì)國(guó)內(nèi)主流繼電保護(hù)廠(chǎng)家的RCS931線(xiàn)路保護(hù)裝置進(jìn)行相關(guān)模擬仿真試驗(yàn)。PN4661的電流精度為0.1%，通過(guò)更換內(nèi)部電阻等部件實(shí)現(xiàn)電流上升時(shí)間分別為100us，500us，1000us和2000us，在不同電流Ⅱ向應(yīng)時(shí)間下測(cè)試RCS931線(xiàn)路保護(hù)裝置的差動(dòng)接地距離保護(hù)、相間距離保護(hù)、縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)和重合閘保護(hù)的出口時(shí)間，詳細(xì)測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表1所示。

從表1的測(cè)試儀輸出不同響應(yīng)時(shí)間下保護(hù)裝置動(dòng)作出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著繼保測(cè)試儀器輸出響應(yīng)時(shí)間增大，保護(hù)動(dòng)作出口時(shí)間也會(huì)逐漸增大。測(cè)試儀輸出響應(yīng)時(shí)間在1000us以?xún)?nèi)，對(duì)保護(hù)裝置的動(dòng)作邏輯出口時(shí)間基本沒(méi)有影響，因此，500us的大電流功率放大器能夠?qū)崿F(xiàn)二次裝置的整體測(cè)試。

2傳統(tǒng)大電流放大器技術(shù)

目前變電站一次通流采用的大電流通常利用升流組合裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作原理見(jiàn)圖1所示。升流組合裝置由升流器組、電容補(bǔ)償裝置、電源控制系統(tǒng)及輔助設(shè)備構(gòu)成。升流發(fā)生器跟高壓電流互感器一樣，實(shí)質(zhì)就是一種雙繞組降壓變壓器嗍。理論上原邊和副邊的功率相等，運(yùn)行時(shí)原副邊的電壓與電流成反比。升流時(shí)，采取降低輸出端電壓來(lái)提高相關(guān)的負(fù)載電流，從而完成產(chǎn)生大電流的功能。

升流器的方法從技術(shù)原理上能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的輸出，但是其輸出的電流不能控制其暫態(tài)變化，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的通流試驗(yàn)。而且，該大電流升流組合裝置還有以下缺陷：一方面，其輸出電流波動(dòng)大，無(wú)法滿(mǎn)足電流精度測(cè)試的要求：另一方面，現(xiàn)有的大電流升流設(shè)備均配置在專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，由于要求有足夠的容量，必須專(zhuān)線(xiàn)電源供電和固定使用，如將其直接用于大負(fù)荷大電流現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，存在著體積龐大無(wú)法運(yùn)輸、設(shè)備抗外力沖擊性差、散熱性能差、安裝擺放場(chǎng)地受限、難以解決現(xiàn)場(chǎng)安全接線(xiàn)（地）和電源容量配置以及設(shè)備渦流損耗和溫升現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題。

3基于MOSFET的大功率放大器方案

基于MOSFET的大功率放大器主要由MOSFET器件構(gòu)成的逆變器電源模塊和放大模塊構(gòu)成，其工作原理如圖2所示。整體結(jié)構(gòu)采用模塊化分布方式設(shè)計(jì)，電源模塊和放大器模塊分開(kāi)，其連接通過(guò)電纜分別連接，這樣便于拆裝移動(dòng)。電源模塊為單相放大模塊提供100kW的供電電源，其采用MOSFET管作為整個(gè)供電電源開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。放大器部分將采用兩個(gè)功率放大器模塊進(jìn)行并聯(lián)輸出，其中一個(gè)功率模塊提供輸出的基波電流和諧波電流，并采用開(kāi)關(guān)放大器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小設(shè)備的體積和重量，將此模塊設(shè)為模塊1：另一個(gè)模塊提供暫態(tài)電流，將采用線(xiàn)性放大器的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，將此模塊設(shè)為模塊2。模塊1和模塊2由主控模塊控制同步輸出，通過(guò)高速電流傳感器輸出不低于2000A的大電流。endprint

基于MOSFET的大功率快速放大器的整個(gè)工作流程為：100kW主變電源模塊將380V的交流電轉(zhuǎn)為放大器模塊使用的直流電，通過(guò)電纜傳輸給放大器模塊，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)放大電路正常工作。主控模塊通過(guò)光纖一方面?zhèn)鬏斖娇刂菩盘?hào)實(shí)現(xiàn)各相功率放大器同步輸出，另一方面?zhèn)鬏敂?shù)字輸出信號(hào)控制各相功率放大器各相輸出電流的幅值、相位和頻率等。功率放大器的高速DA模塊將主控模塊的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為放大模塊能夠使用的模擬信號(hào)，通過(guò)功率模塊1和功率模塊2及其對(duì)應(yīng)的高速電流傳感器實(shí)現(xiàn)大電流的穩(wěn)態(tài)輸出和暫態(tài)控制，兩個(gè)功率模塊在輸出端通過(guò)電纜并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大電流同步輸出。

4基于MOSFET的大功率放大器構(gòu)成

4.1電源模塊

目前功率放大器的電源模塊通常采用雙極型開(kāi)關(guān)管的逆變器電路，基極驅(qū)動(dòng)電流基本上為開(kāi)關(guān)電流的1/B，因此要實(shí)現(xiàn)大電流開(kāi)關(guān)電路必須采用多級(jí)放大，這樣不僅使電路復(fù)雜化，可靠性也變差，而且隨著輸出功率的增大，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電流需大于集電極電流的l/B，致使普通驅(qū)動(dòng)IC無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)。雖說(shuō)采用多級(jí)放大可以達(dá)到目的，但是波形失真卻明顯增大，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通/截止損耗也增大，而多采用MOSFET管作開(kāi)關(guān)器件能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。MOSFET管漏一源極間導(dǎo)通電阻，具有電阻的均流特性，并聯(lián)應(yīng)用時(shí)不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)應(yīng)用即可。同時(shí)，MOSFET管是由電壓進(jìn)行控制，控制方式方便，且其具有輸入電阻高，噪聲低，熱穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。

電源的處理技術(shù)對(duì)整個(gè)設(shè)備的重量影Ⅱ向非常大，普通的工頻變壓器100kW功率等級(jí)的重量在300-500kg，如果我們采用工頻變壓進(jìn)行降壓隔離處理，那么電源部份就非常重，并且功率因數(shù)也較低，所以這種方式并不適用于現(xiàn)場(chǎng)的搬運(yùn)和測(cè)試。因此，我們采用開(kāi)發(fā)5-10kW的電源模塊，多個(gè)電源模塊進(jìn)行并聯(lián)使用的方法?？紤]到設(shè)備并非工作在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的狀態(tài)下，分布設(shè)計(jì)可以分散電源熱量。同時(shí)，不必采用很大功率的器件，可減輕電源重量，提高電源的穩(wěn)定性。另外功率小的電源開(kāi)關(guān)頻率可以做得相對(duì)較高，越大功率等級(jí)的電源開(kāi)關(guān)頻率越低。所以采用多個(gè)模塊并聯(lián)的工作方式將會(huì)大減小電源部份的重量。

4.2放大器模塊

設(shè)定設(shè)備的帶載能力50V，帶載的峰值電壓應(yīng)該為50x1.414=70.7V，最大電流2000A，最大的峰值電流為2000x1.414=2828A，電流的上升時(shí)間最大為500us，我們可以推算出輸出負(fù)載的最大電感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以設(shè)備輸出的電感負(fù)載必須<12.5uH。輸出負(fù)載的直流阻抗是根據(jù)輸出線(xiàn)路的長(zhǎng)短和截面面積決定的，為了減小重量，輸出線(xiàn)路我們預(yù)設(shè)為lm，來(lái)回則為2m，純銅線(xiàn)的電阻率為1.75x10m，輸出線(xiàn)路采用200mm2，輸出線(xiàn)路的直流阻抗R=1.75x10x5000x2=1.75x10，2000A的電流在直流阻抗上形成的電壓Ul=2000Ax1.75x10=0.35V：50Hz的交流電，2000A基波電流在最大感性負(fù)載上形成的電壓U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

所以基波2000A輸出時(shí)需要的最大負(fù)載電壓V=（0.352+7.852）112，U=7.858V：2000A基波帶載能力應(yīng)該>10V，為保證模塊l的開(kāi)關(guān)工作在大于80%的占空比，模塊l的輸出濾波電感可以確定為輸出負(fù)載感抗的4倍左右，L=50uH。假定基波為0A時(shí)，IKHz諧波頻率輸出時(shí)的最大諧波電流應(yīng)為I<100A；模塊l的最小連續(xù)電流>6A，占空比為50%，開(kāi)關(guān)頻率暫設(shè)為100KHz。

因此，放大器模塊l的主功率拓?fù)鋮?shù)可以確定。采用全橋開(kāi)關(guān)放大器，開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，電源電壓為80V，輸出濾波電感為50uH。模塊從0A到輸出峰值的上升時(shí)間為t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模塊2的主功率拓?fù)鋮?shù)為也可以基本確定：采用全橋線(xiàn)性放大器，電源電壓80V，0A到輸出峰值電流的上時(shí)間為450us，模塊2的輸出時(shí)間t=2.45ms。模塊l和模塊2是并聯(lián)工作的，輸入的信號(hào)為相同的模擬信號(hào)，模塊2提供初始階段的暫態(tài)信號(hào)，當(dāng)暫態(tài)信號(hào)輸出完成，模塊二停止，模塊接續(xù)模塊的輸出，進(jìn)行連續(xù)輸出。

5結(jié)論

基于MOSFET的大功率放大器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大電流的輸出，可以暫態(tài)控制電流變化，電流輸出Ⅱ向應(yīng)時(shí)間快，精度高，不僅能夠完成變電站通流試驗(yàn)，還能在互感器一次側(cè)模擬各種短路故障，實(shí)現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)整體測(cè)試。同時(shí)，采用分布式設(shè)計(jì)理念，電源供電模塊與放大器模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，減少整體體積和重量，便于拆裝移動(dòng)，極大方便變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試檢修服務(wù)?；贛OSFET的大功率放大器技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了變電站一次系統(tǒng)故障真實(shí)模擬，對(duì)變電站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試檢修、電力科學(xué)院及高校和科研機(jī)構(gòu)的電力研究有據(jù)大的幫助和指導(dǎo)意義。endprint