電流源型高壓隔離驅(qū)動電源研究

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(陜西電子信息職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710077)

0 引言

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的提出和建設(shè)，使直流輸電技術(shù)得到快速應(yīng)用和發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)中也因此應(yīng)用到大量的電力電子裝置[1-3]，由于目前還沒有單個能夠承受高耐壓等級的開關(guān)管，這就需要通過多個開關(guān)管串聯(lián)以達到需求的耐壓等級。因此，高壓隔離驅(qū)動電源應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多路輸出[4]。

另外，多個開關(guān)器件串接在一起，其驅(qū)動電壓的參考電位必然會產(chǎn)生浮動。所以，高電壓等級的隔離也是必不可少的環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的高壓隔離技術(shù)都是通過變壓器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。例如，通過改進絕緣工藝提高原副邊耐壓的高隔離變壓器，雖然這種結(jié)構(gòu)一定程度上提高了耐壓等級，但是它是以犧牲體積和成本為代價的，并且易受外部參數(shù)影響；基于無芯PCB結(jié)構(gòu)的變壓器，這種特殊結(jié)構(gòu)的耐壓等級主要是由PCB板材的絕緣性能決定的，結(jié)構(gòu)的限制使其很難實現(xiàn)多路輸出；壓電變壓器結(jié)構(gòu)雖能通過電能-機械能-電能的方式實現(xiàn)原副邊的電壓隔離，但是只能實現(xiàn)單路輸出，并且信號的調(diào)制與解調(diào)無疑會增加系統(tǒng)設(shè)計的復雜度。

這就需要一種新型的高壓隔離驅(qū)動電源來滿足應(yīng)用環(huán)境的需求。近年來，越來越多的學者也針對此類問題展開研究。

文獻[5-6]提出以功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)實現(xiàn)前級效率提升與防止諧波污染，后接全橋逆變，以串聯(lián)交流母線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓隔離和多路輸出。文獻[7-9]采用LC串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)雖在一定程度上改善電流波形，實現(xiàn)多輸出，但是動態(tài)響應(yīng)對前端輸入電壓影響大，且電路復雜。文獻[10]提出了一種LCL半橋諧振式LED驅(qū)動電源，減小電流紋波，提高了利用率。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多路輸出，但是在高壓環(huán)境下有一定局限性。

在前述研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的電流源型高壓隔離驅(qū)動電源，適用于高壓環(huán)境下需要多個電壓為電力電子裝置提供驅(qū)動電壓的工況，進行了理論分析，并作出了相關(guān)仿真研究。

1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)

圖1所示為電流源型驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)圖。從結(jié)構(gòu)圖中可以看出主要由下面幾個功能結(jié)構(gòu)模塊構(gòu)成：

圖1 電流源型高壓驅(qū)動電源

a.Buck PFC結(jié)構(gòu)。此模塊主要由EMI濾波結(jié)構(gòu)、AC/DC變換器、Buck DC/DC變換器以及相關(guān)的控制保護電路構(gòu)成，此功能結(jié)構(gòu)為后級模塊提供高質(zhì)量的直流電壓輸入。

b.諧振變換器結(jié)構(gòu)。該功能結(jié)構(gòu)主要由逆變器和LCL諧振變換結(jié)構(gòu)組成。逆變器實現(xiàn)DC/AC的變換，可以是全橋結(jié)構(gòu)亦或半橋結(jié)構(gòu)，根據(jù)輸出功率的大小和路數(shù)的多少來選擇。LCL拓撲結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)恒流輸出。

c.隔離結(jié)構(gòu)與穩(wěn)壓輸出。以高壓電纜線串磁環(huán)變壓器的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高壓隔離和多路輸出，控制信號則通過光纖通信實現(xiàn)。后級通過整流穩(wěn)壓得到一路穩(wěn)壓輸出。

2 諧振變換器

2.1 變換器的結(jié)構(gòu)

本設(shè)計為電流源型高壓隔離驅(qū)動電源，電纜線中恒定高頻電流是通過逆變器后級LCL諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的?；贚CL諧振網(wǎng)絡(luò)的逆變器簡化拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出拓撲結(jié)構(gòu)如章節(jié)2中所介紹的三大功能模塊構(gòu)成。為了實現(xiàn)設(shè)計的多用性，即能夠同時滿足較大功率和小功率驅(qū)動負載需求，在設(shè)計PCB電路時，將半橋和全橋逆變拓撲整合在一起，使用時個根據(jù)需要進行自由選擇。

其中，拓撲結(jié)構(gòu)中不接入C1與C2時，逆變器是由S1,S2,S3和S4構(gòu)成的全橋逆變結(jié)構(gòu)；而將開關(guān)管S1與S2由C1與C2替代時，逆變器為半橋逆變結(jié)構(gòu)。變壓器T用來隔離，高壓電纜穿過電流變壓器CT實現(xiàn)多路輸出，每路輸出后接全波整流與穩(wěn)壓驅(qū)動模塊。

圖2 基于LCL諧振變換器的逆變器

2.2 變換器恒流工作原理

下面對變換器恒流輸入的工作原理進行分析[11-12]。諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖3所示，從基于交流分析的電路圖中可以看出諧振網(wǎng)絡(luò)由Lr,Lk,C組成。諧振變換器輸入端方波電壓基波分量有效值為：

(1)

Ui為工頻輸入電壓的幅值。

圖3 諧振變換器等效電路

假設(shè)負載阻抗為RL，則其等效到變壓器原邊的等效阻抗為Re，其中n為變壓器原副邊繞組匝比。

(2)

根據(jù)全波整流可知

(3)

(4)

Io和Uo分別為流過電阻RL的電流和電阻RL兩端的電壓，Io1為流過等效電阻Req的電流有效值，Uo1為Req兩端的電壓有效值。

定義變換器的諧振角頻率為:

(5)

其開關(guān)角頻率為ωn，為方便計算，則歸一化頻率為:

ωn=ω/ω0

(6)

特征阻抗Zn為:

(7)

品質(zhì)因數(shù)Q為:

(8)

定義諧振電感的比值β為:

(9)

諧振變換器的電流增益H為:

(10)

式(10)中，只有Q與RL有關(guān)，當諧振頻率與開關(guān)頻率相等時，H=8n/π2，從而實現(xiàn)輸出電流與負載變化無關(guān)。

作為電流源恒流輸入使用，當采用半橋逆變結(jié)構(gòu)時，流過諧振電感Lr與Lk的電流有效值分別為

(11)

(12)

而采用全橋逆變結(jié)構(gòu)時，則有：

(13)

(14)

不論采用半橋逆變器還是全橋逆變器，在輸入電壓和電路相關(guān)參數(shù)確定后，流過電感L上的電流有效值與品質(zhì)因數(shù)Q成反比。只是在半橋拓撲結(jié)構(gòu)下流過電感電流的有效值時全橋拓撲結(jié)構(gòu)下流過電感電流有效值的一半。負載短路情況下，流經(jīng)諧振電感的電流幾乎為零，具有抗負載短路能力。

對逆變器的相位特性進行分析，設(shè)電壓初始相位為零，逆變器輸出電壓與輸出電流的相位差為:

φ=φi-φv

(15)

相位差φ隨ωn與品質(zhì)因數(shù)Q變化的關(guān)系如圖4所示。相同開關(guān)頻率下，相位差φ隨品質(zhì)因數(shù)Q增大而增大，并且φ的變化更加劇烈。當工作在諧振頻率點，在不同品質(zhì)因數(shù)Q下，相位差始終為0，即可以實現(xiàn)逆變器的輸出電壓與輸出電流同相位。

圖4 不同品質(zhì)因數(shù)和頻率下φ的變化曲線

當工作在恒流模式下，根據(jù)相位差公式，在諧振點處，Lr與Lk同時相等，能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗。實驗時，使Lr略大于Lk實現(xiàn)ZVS。

3 仿真實驗與討論

為驗證電流源型隔離驅(qū)動電源的有效性，采用Simplorer與Ansoft軟件聯(lián)合仿真。仿真電路中采用25路串聯(lián)多輸出。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

仿真方案和設(shè)計中由于電纜線的引入能夠在中高壓環(huán)境下實現(xiàn)優(yōu)良的隔離性能。

如圖5所示為諧振網(wǎng)絡(luò)輸入端電壓電流波形，從圖中可以看出電壓過零點明顯超前于電流過零點，能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓關(guān)斷。

圖5 諧振網(wǎng)絡(luò)輸入端端電壓電流波形

圖6和圖7分別為高頻變壓器T以及電流變壓器原副邊電壓波形，可以看出是波形趨勢很好的高頻方波，從幅值比可以看出符合設(shè)計要求。圖8為電流變壓器原副邊電流波形，正弦波趨勢明顯，并滿足電流比1∶8的要求。

圖6 高頻變壓器T電壓波形

圖9為穩(wěn)壓輸出端電壓和電流波形，直流電壓輸出Uo為10 V，輸出電流基本穩(wěn)定在0.5 A，單路能夠?qū)崿F(xiàn)5 W的功率輸出。

圖7 電流變壓器電壓波形

圖8 電流變壓器原副邊電流波形

圖9 負載電壓電流波形

4 結(jié)束語

提出一種電流源型高壓隔離驅(qū)動電源，通過選定的諧振拓撲，很好的實現(xiàn)了恒流輸出；以電纜線傳輸高頻電流源實現(xiàn)了足夠的電壓隔離強度；串聯(lián)多輸出的結(jié)構(gòu)滿足需要多個驅(qū)動電源的工況；半橋和全橋逆變結(jié)構(gòu)的可選性增加了對輸出的適應(yīng)能力。根據(jù)設(shè)計要求，進行了仿真實驗，仿真結(jié)果表明效率在85%左右，不僅提

高了輸出效率，而且輸出的穩(wěn)定性更高，可以很好的滿足采用大功率電力電子器件的高壓場合，并能夠根據(jù)驅(qū)動電源路數(shù)需求靈活的掌控輸出數(shù)量。具有很高的工程應(yīng)用價值。

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