一種用于高壓電力電子開關的新型多路輸出隔離供電系統

辛征,王秀和,孫樹敏,王輝,程艷,李洪杰

(1.山東大學電氣工程學院,250061,濟南;2.山東電力科學研究院,250002,濟南;3.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安)

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一種用于高壓電力電子開關的新型多路輸出隔離供電系統

辛征1,王秀和1,孫樹敏2,王輝1,程艷2,李洪杰3

(1.山東大學電氣工程學院,250061,濟南;2.山東電力科學研究院,250002,濟南;3.西安交通大學電氣工程學院,710049,西安)

為了改善目前電力電子開關在高電壓等級下隔離變壓器數量過多、傳統多路供電系統過于龐大的問題,提出了一種新型的多路輸出隔離供電系統。采用變壓器松耦合技術,為該多路隔離供電系統設計了一種新型電路拓撲結構,推導了其參數計算公式,對關鍵參數進行了選值與優化,并在需要20路輸出供電的串聯IGBT電力電子開關電路中進行了實驗驗證。實驗結果表明:在滿載情況下,供電電路的輸出電壓穩定在18 V,可以為20路電力電子開關穩定供電;系統在縮小體積和空間的基礎上實現了高電壓隔離,隔離直流電壓高達30 kV,并且此系統能夠拓展至更多電力電子開關串聯應用中。實驗證明了該供電系統的實用性和設計方法的可行性。

電力電子開關;多路輸出;高壓隔離;松耦合

近年來,隨著電力電子技術的不斷發展,半導體電力電子開關越來越廣泛地應用于工業生產和實踐中[1-5],包括脈沖功率技術、重復性高壓脈沖發生器、核工業、靜態無功補償器、絕緣狀態檢測等多個領域[6-12]。相比較于傳統的氣隙開關,常見的半導體開關如MOSFET、IGBT等具有易于直接控制、放電重復率高、使用壽命長等優點。然而,單個的半導體開關耐受電壓較低,只能達到幾百到數千伏,這遠遠不能滿足行業需求,因此需要將半導體開關器件串聯使用以提高其耐受電壓等級,這就使得每個成品的電力電子開關將由幾十甚至上百個開關器件串聯而成。

電力電子開關的發展對供電系統提出了更高的要求。首先,電力電子開關使用的開關器件數量眾多,需要配備具有多路輸出能力的供電系統;其次,由于每種電力電子開關器件的對地電壓不同,因此供電系統的各種輸出電壓之間需要具備高電壓隔離能力;另外,為了符合電力電子開關的小型化趨勢,供電系統必須具備重量輕、體積小的特點;最后,在某些電壓極高的場合下,電力電子開關也需要串聯使用,這就需要供電系統要易于擴展,能夠為更多的開關單元供電。

圖1 供電系統總體電路圖

傳統的供電系統采用單路供電形式,在每個電力電子器件的門極使用隔離變壓器進行電壓隔離,由于現在電力電子開關所需電壓等級越來越高,隔離變壓器數量也越來越多,使得供電系統過于龐大,不利于系統的擴展與應用。隨著開關電源技術的不斷成熟,為適應不同的應用場合,逐漸誕生了許多具備不同拓撲結構的開關供電變換器。文獻[13]給出了應用于靈活交流輸電系統的多路輸出供電技術,該技術基于一組直流電流源實現了多路隔離供電,然而其輸出路數有限,隔離電壓等級不足。文獻[14]采用全橋推挽互補結構的供電系統,采用4個電力電子器件來實現隔離供電,但其結構稍顯復雜。文獻[15]提出了不同的電流源供電形式,即通過12個環形磁芯變壓器二次側繞組為12路開關模塊供電,將電流源輸出用一根導線穿過所有磁芯實現能量傳遞,然而該文獻沒有給出相關的控制策略,而且該供電系統屬于開環系統,其工作的穩定性和可靠性有待商榷。

綜上所述,本文基于反激式拓撲結構設計了一種新型的通用型多路輸出隔離供電系統,不但具有給多個電力電子開關提供足夠的供電能力,還具備較高的電壓隔離能力,而且由于設計中包含了功率因數調節功能,使得系統更加穩定可靠。文中首先給出了該系統的電路結構和工作原理,然后根據電路結構推導了工作方程,針對一個實際的半導體開關所需的驅動能力,按照方程計算出了各個電路參數后,搭建了實際的供電電路,并對其進行了供電能力測試,試驗結果證明了該系統的實用性和有效性。

1 總體方案

1.1 電路結構

如圖1所示,多路輸出隔離供電系統采用反激式變換器拓撲結構。由于只采用了一個電力電子開關M1,所以控制策略相應的得到了簡化。輸入側采用一個環形變壓器Tr1將電壓降至Vac輸入至系統中,為了與高壓半導體開關的模塊化級聯設計思想相對應,每一個開關單元都對應一個輸出磁芯。一次側線圈穿心繞過所有磁芯T1～Tn,為所有二次側門極驅動提供能量。需要指出的是,不同于傳統的整流橋輸出電容,C1僅相當于一個低頻濾波器而不是一個儲能電容,因此電容值要求較低。

電路工作波形示意圖如圖2所示,其中UT為整流橋輸出電壓,IP為一次側電流,IS為二次側電流,uP為一次側繞組兩端電壓,ug為M1門極電壓。變換器由L6561[16-17]控制,采用變頻臨界控制模式,當IS降為0時開關M1即導通。控制環由一個內部電流環和一個外部電壓環組成,電壓環基于比例反饋環節的標準積分控制電路,電流環通過一個電流互感器采集一次側電流變化,通過R1和R2組成的電壓采樣電路對整流橋輸出電壓進行采樣,將電流和采樣得到的電壓波形進行比較控制,得到的一次側電流波形為半正弦波形包絡的一系列電流脈沖。

圖2 供電系統的理論工作波形

為了實現電壓的多路輸出,同時使該供電系統易于拓展至為更多電力電子開關單元供電,可以將單一開關單元的多個供電繞組盤繞至一個磁芯上,如圖3所示。與傳統的多路輸出高電壓供電電路相比,這種結構每個開關單元僅僅需要一個隔離電壓變換器。假設每個開關單元內部由n個開關模塊串聯而成,那么使用該結構可以將供電系統的體積和重量減小為原來的1/n左右。

圖3 為多個半導體開關供電的方案示意圖

對更多的半導體開關單元串聯使用的情況,可以為每個開關單元配置一個磁芯。然后,反激變換器的一次側繞組穿心繞過所有磁芯,其一次側繞組并未緊密包繞于磁芯表面,而是穿心繞過所有磁芯,采用與傳統變壓器所用的緊耦合方式不同的“松耦合”方式為所有開關單元供電。這種設計方式使得一次側繞組的匝數較少,一次側電感遠遠小于傳統的反激式供電電路,但是一次側電流尖峰會增加,并且引入了較大的奇次諧波,因此系統中增加了功率因數調節環節,該環節將一次電流峰值包絡至半正弦型整流輸出電壓波形內,最大程度上減小了奇次諧波的影響。

1.2 電路工作方程

如上文所述,將整流橋輸出電壓等效為理想的半正弦波,一次側電流被整流橋輸出的半正弦波形完全包絡,則整流橋的輸出電壓Vob(t)和三角形電流波的峰值Ipk(t)計算公式如下

(1)

(2)

式中:Vpk為輸入電壓峰值;Ipkm為所有一次側電流峰值中的最大值;fL為工頻50 Hz。

MOSFET導通時間Ton的計算公式如下

(3)

式中:Lp為一次側電感值。le和Ae為有效磁路長度和磁芯橫截面積,Lp、le、Ae的計算公式如下

(4)

(5)

(6)

式中:μ0為真空磁導率;μr為磁芯的相對磁導率;Np為一次側繞組匝數;D和d分別為磁芯的外徑和內徑;h為磁芯高度;σ為開關單元個數。

MOSFET關斷時間Toff的計算公式如下

(7)

式中:θ=2πfLt;Nps為一次側和二次側匝數比;Vout為每個二次側繞組的輸出電壓。

開關頻率fsw的計算公式如下

(8)

根據式(8),可計算出最小開關頻率為fsw(π/2),D(θ)為占空比,它的計算公式如下

(9)

(10)

每個磁芯上有m個繞組,因此系統需求的總的輸入功率計算公式如下

(11)

式中:Pout為每個開關模塊所需的功率;η為每路輸出繞組的期望工作效率。同時,每個相位的平均電流計算如下

(12)

所以輸入功率為

(13)

峰值電流為

(14)

2 雙開關串聯供電系統的設計

基于上文所述的電路方程,本文為一套半導體開關設計了一個完整的供電電路系統。半導體開關由兩個開關單元串聯而成,適用于30 kV耐壓等級的高電壓場合,每個開關單元有10個開關電路模塊組成,供電系統參數見表1。

表1 供電系統參數

具體的電路參數可由表1給出的輸出功率要求得出。需要指出的是,供電系統除了提供合適的輸出功率與輸出電壓實現多路隔離輸出之外,還需要保證體積小和重量輕,以便于和半導體開關結合使用。同時,在設定電路參數的時候還要考慮到器件的工作范圍。綜合來看,需要權衡的參數如下。

(1)一次側和二次側繞組的匝數。由于每個磁芯上有很多的二次側繞組,因此一次側和二次側的匝數應該在滿足供能和輸出電壓的基礎上盡可能的小,以保證足夠的絕緣距離。

(2)磁芯飽和特性。盡管功率因數調節功能在一定程度上平衡了一次側電流波形,使得最大電流尖峰不致過大,但由于一次側繞組匝數過于小,一次側電流尖峰仍然是很容易引起磁路飽和的。為了避免這種狀況,首先應該通過調試電路參數使得最大電流尖峰值控制在合理范圍,其次應該選擇合適尺寸和磁導率的磁芯。

(3)磁芯損耗。雖然開關頻率fsw隨時在變化,但其值不應該太大以免增大磁芯損耗。

(4)開關導通時間Ton。由于MOSFET導通是一個過程,所以預設的導通時間Ton必須能保證MOSFET能夠充分動作。

圖4 電路參數的確定方法

最終,具體參數可根據式(1)～式(14)以及圖4給出的確定方法計算得出。文中所用的環形磁芯材料為缺氧體,磁芯的幾何參數如表2所示。根據式(3)、式(8)、式(14)可計算出Ipkm和fsw,推算出Ton隨Vpk和Ns變化的關系。需要指出的是,一旦磁芯確定了,ΔB也隨之確定,需要控制一次側繞組匝數Np和峰值電流Ipkm以避免環形磁芯的飽和。同時,為了減小峰值電流Ipkm,需要減小Ns,然而隨著Ns的減小,fsw不斷增大,所以需要平衡二者之間的選擇。最終經過多次試算,當Np=2時,設定Vpk=50 V、Ns=1即可滿足要求。

表2 環形磁芯參數

3 實驗結果

最終設計完成的供電電路由3部分構成。一次側電路如圖5所示,包括圖1中一次線圈之前的所有結構;兩個磁芯,每個磁芯上纏繞著10路輸出繞組和相應的輔助供電電路,并且和各自的開關單元集成于一塊電路板上,如圖6所示。一次側線圈穿心繞過所有磁芯,將三者耦合起來。所有輸出繞組均承擔不同的電壓,這些輸出繞組集中在磁芯中心,因此隔離電壓等級選為最高電壓等級。開關最大耐壓為30 kV的直流電壓,因此采用50 kV耐壓的硅橡膠絕緣線。50 V峰值的輸入電壓由降壓變壓器從外部引入。

圖5 一次側電路板實物圖

圖6 二次側磁芯輔助供電電路與串聯雙半導體開關整體實物圖

供電電路為雙開關單元滿載供電,實驗波形如圖7所示。圖7a為MOSFET的源極漏極電壓Vds波形,波形基本正常,但是在M1上Vds電壓有一個振鈴尖峰,這是由于繞組漏感和MOSFET雜散電容的諧振引起的。在本文的松耦合式反激變換器拓撲結構中,一次側繞組只有兩匝,因此這種現象是無法避免的。但是,從實驗結果可以看出,其尖峰電壓最高不超過200 V,而本供電系統中使用的MOSFET額定耐壓為500 V,故而有很大的裕量。因此,這種振鈴現象不會對系統的可靠工作產生影響。

(a)MOSFET的源極漏極電壓Vds

(b)一次側電流Ip與整流橋輸出電壓Vob

(c)輸出電壓Vout

(d)fsw下具體的Ip和Vgs圖7 雙開關單元供電時的關鍵實驗波形

圖7b為一次側電流Ip與整流橋輸出電壓Vob,由波形可知一次側電流Ip被半正弦波包絡,和整流橋輸出電壓波形Vob類似,功率因數調節功能正常發揮了作用。

圖7c為輸出電壓Vout,由圖可知和預設值相同,滿載情況下的輸出電壓穩定在18 V。

圖7d給出了振蕩頻率最小時具體的Ip和M1的門極電壓Vgs。由式(8)可知,Ip在振蕩頻率最低時達到最大值,在圖7d中Ipkm=7.5 A,此時fsw=42 kHz,Ton=14 μs。由此可知,M1導通時(Vgs=15 V)Ip迅速上升,M1關斷時Ip迅速降為0,開關元件可以在滿載的情況下迅速完成開關動作,供電系統完全可以正常工作。

同時,由圖5可以看到,每個開關單元由10個IGBT開關模塊串聯而成,但為其供電僅僅需要一套隔離式反激變壓器,與傳統的供電系統相比,體積和重量都減小為了原來的1/10左右。

4 結 論

本文設計了一種新型的為高壓半導體開關供電的松耦合多路輸出隔離供電系統。該系統不但能夠給多個半導體開關提供足夠的供電能力,而且具備較高的電壓隔離能力。文中推導了系統各參數的計算公式,對電路中的關鍵參數Ipkm、fsw和Ton等進行了選值與優化。實驗證明,該供電系統設計方法可靠,能夠為雙單元串聯的半導體開關(每個開關單元包括10路開關模塊),給予可靠供電。開關元件可以在滿載的情況下迅速完成開關動作,供電系統工作正常。通過采用反激式變換器拓撲結構,系統與傳統供電系統相比,體積和重量大大減小了。與此同時,系統在縮小體積和空間的基礎上又實現了充分的高電壓隔離,隔離直流電壓高達30 kV,高壓隔離多路供電系統確實有效。

包含本供電系統的半導體開關已作為關鍵部件集成在電力電纜絕緣狀態檢測設備中,此后會將此供電系統用于其他需要多路輸出隔離供電的場合,如發光二極管LED驅動等系統中。

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(編輯 杜秀杰)

A Novel Multi-Output Isolation Power Supply System for High Voltage Power Electronic Switch

XIN Zheng1,WANG Xiuhe1,SUN Shumin2,WANG Hui1,CHENG Yan2,LI Hongjie3

(1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2. Shandong Electric Power Science Research Institute, Jinan 250002, China;3. School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To solve the problem that too many isolation transformers are required for power electronic switch at high voltage level, leading to excessive scale of traditional multi-channel power supply system, a new type of multiple output isolation power supply system is proposed, in which a novel circuit topology is designed based on transformer loose coupling technology. The calculation formula of the parameters is derived, and the key parameters are selected and optimized. The experimental verification is carried out on a series IGBT power electronic switching circuit which needs 20-way output power supplies. The experimental results show that: in the case of full load, the output voltage of the power supply circuit is stable at 18 V, and the system can stably supply power for the 20-way power electronic switches. The system realizes the high voltage isolation in reduced volume and space, and the isolated voltage reaches DC 30 kV. The system can be extended to more power electronic switches in series.

power electronic switch; multiple output; high voltage isolation; loose coupling

2016-05-06。 作者簡介:辛征(1979—),男,博士生;王秀和(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51577109)。

時間:2016-09-23

10.7652/xjtuxb201612016

TN405;TN43

A

0253-987X(2016)12-0099-07

網絡出版地址:http: ∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160923.1708.016.html