基于MOSFET的大功率快速放大器技術研究

許守東　陳勇　李勝男　何鑫　馮自權

摘要：目前變電站二次設備測試時主要采取分體測試，整體通流的方法。無法實現整體測試的原因主要受限于大功率電流放大器技術，一方面是因為放大器體積龐大，笨重，電源功率要求較高，變電站現場安裝移動困難；另一方面是大電流輸出幅值、負載、電流精度、電流響應速度不能滿足要求?；贛OSFET的大功率快速放大器技術能夠實現電流放大器2000A的電流輸出，同時電流輸出響應速度小于500us，體積小，重量輕，移動方便，使二次設備現場整體測試成為現實，對變電站調試檢修具有重大的意義。

關鍵詞：金屬一氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）；大功率；快速；響應時間；整體測試

0引言

隨著人們生活水平的提高，社會對電能的需求量也越來越大，電能已經成為人們生活和社會發展不可缺少的能源之一。目前，變電站的數量在不斷增加，設備也在逐年增加，人們對變電站的檢修和保養工作也越來越重視。但是我國所有變電站的二次設備檢修方法粗放、效率低、針對性不強，這些都直接影響著電力設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，二次設備之間采用虛端子連接技術，使得變電站二次設備的調試檢修服務技術門檻大大提高，同時，調試檢修工作強度和內容也增加了至少一倍，電力檢修公司無論從檢修人員調配還是檢修服務已經很難把控，而二次設備檢修不到位將直接威脅到電網的安全和可靠。所以，很有必要開發一種二次設備整體測試技術，從一次設備加量，實現二次設備整體測試。

二次設備整體測試是從電流互感器一次側直接加量，模擬電網各種短路故障，實現變電站二次合并單元、保護裝置、智能終端和刀閘斷路器等整體測試的一種技術手段。要想互感器一次側加量實現二次設備整體測試，大功率放大器是關鍵技術之一。本文主要介紹一種基于MOSFET的大功率快速放大器技術，通過研究電流影Ⅱ向速度對保護裝置的影響，分析大功率快速放大器技術實現二次設備整體測試的可行性。

1電流響應速度對繼電保護裝置的影響

目前，繼電保護裝置大部分都使用暫態分量作為保護邏輯判據，在試驗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，繼電保護裝置裝置所輸出的突變量的上升速率（響應速度）即測試裝置的暫態特性應滿足繼電保護測試儀器相關規范要求。在繼電保護測試儀器相關標準規范中明確規定，繼電保護裝置測試儀器輸出電流和輸出電壓的暫態響應時間應不大于100us。

現在變電站保護屏柜調試基本上都是繼電保護測試儀的電流電壓、開入、開出信號直接接到被測保護裝置所在屏柜對應的端子排上，按照調試大綱或者說明書對各保護功能進行詳細的調試。繼電保護測試儀的電流上升下降時間小于100us，而在實際的各種電氣設備故障時，故障電流流到保護裝置小于10us，基本上都是瞬時的。而保護裝置在瞬時性故障時，經過CPU處理和繼電器的動作延時，基本上實際的出口時間也都大于10ms，所以測試儀電流響應時間的100us，對保護裝置的測試沒有影響。

繼電保護測試儀器輸出的是二次值的小電流信號，而實現一次變電站二次系統整體測試需要大電流功率放大器從互感器一次側加量。受限于硬件產品性能等技術條件，目前大電流功率放大器電流上升下降時間最多可以控制在500us以內，而保護動作時間出口基本都在10ms以上，因此，理論上大電流功率放大器的電流Ⅱ向應速度為500us是可以滿足現場使用要求的。

為了驗證功率放大器電流響應速度為500us是否對保護邏輯判斷產生影Ⅱ向，本文通過PN4661繼電保護測試儀對國內主流繼電保護廠家的RCS931線路保護裝置進行相關模擬仿真試驗。PN4661的電流精度為0.1%，通過更換內部電阻等部件實現電流上升時間分別為100us，500us，1000us和2000us，在不同電流Ⅱ向應時間下測試RCS931線路保護裝置的差動接地距離保護、相間距離保護、縱聯差動保護、零序過流保護和重合閘保護的出口時間，詳細測試驗證結果見表1所示。

從表1的測試儀輸出不同響應時間下保護裝置動作出口試驗數據可以看出，隨著繼保測試儀器輸出響應時間增大，保護動作出口時間也會逐漸增大。測試儀輸出響應時間在1000us以內，對保護裝置的動作邏輯出口時間基本沒有影響，因此，500us的大電流功率放大器能夠實現二次裝置的整體測試。

2傳統大電流放大器技術

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實現，其工作原理見圖1所示。升流組合裝置由升流器組、電容補償裝置、電源控制系統及輔助設備構成。升流發生器跟高壓電流互感器一樣，實質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，運行時原副邊的電壓與電流成反比。升流時，采取降低輸出端電壓來提高相關的負載電流，從而完成產生大電流的功能。

升流器的方法從技術原理上能夠實現大電流的輸出，但是其輸出的電流不能控制其暫態變化，只能進行簡單的通流試驗。而且，該大電流升流組合裝置還有以下缺陷：一方面，其輸出電流波動大，無法滿足電流精度測試的要求：另一方面，現有的大電流升流設備均配置在專用實驗室內，由于要求有足夠的容量，必須專線電源供電和固定使用，如將其直接用于大負荷大電流現場試驗檢測，存在著體積龐大無法運輸、設備抗外力沖擊性差、散熱性能差、安裝擺放場地受限、難以解決現場安全接線（地）和電源容量配置以及設備渦流損耗和溫升現象嚴重等問題。

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器件構成的逆變器電源模塊和放大模塊構成，其工作原理如圖2所示。整體結構采用模塊化分布方式設計，電源模塊和放大器模塊分開，其連接通過電纜分別連接，這樣便于拆裝移動。電源模塊為單相放大模塊提供100kW的供電電源，其采用MOSFET管作為整個供電電源開關驅動電路。放大器部分將采用兩個功率放大器模塊進行并聯輸出，其中一個功率模塊提供輸出的基波電流和諧波電流，并采用開關放大器的原理進行設計，減小設備的體積和重量，將此模塊設為模塊1：另一個模塊提供暫態電流，將采用線性放大器的原理進行設計，將此模塊設為模塊2。模塊1和模塊2由主控模塊控制同步輸出，通過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工作流程為：100kW主變電源模塊將380V的交流電轉為放大器模塊使用的直流電，通過電纜傳輸給放大器模塊，從而驅動整個放大電路正常工作。主控模塊通過光纖一方面傳輸同步控制信號實現各相功率放大器同步輸出，另一方面傳輸數字輸出信號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字信號轉為放大模塊能夠使用的模擬信號，通過功率模塊1和功率模塊2及其對應的高速電流傳感器實現大電流的穩態輸出和暫態控制，兩個功率模塊在輸出端通過電纜并聯，實現大電流同步輸出。

4基于MOSFET的大功率放大器構成

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關管的逆變器電路，基極驅動電流基本上為開關電流的1/B，因此要實現大電流開關電路必須采用多級放大，這樣不僅使電路復雜化，可靠性也變差，而且隨著輸出功率的增大，開關管驅動電流需大于集電極電流的l/B，致使普通驅動IC無法直接驅動。雖說采用多級放大可以達到目的，但是波形失真卻明顯增大，從而導致開關管的導通/截止損耗也增大，而多采用MOSFET管作開關器件能很好地解決這個問題。MOSFET管漏一源極間導通電阻，具有電阻的均流特性，并聯應用時不必外加均流電阻，漏源極直接并聯應用即可。同時，MOSFET管是由電壓進行控制，控制方式方便，且其具有輸入電阻高，噪聲低，熱穩定性好，抗干擾能力強，功耗低，體積小等優點。

電源的處理技術對整個設備的重量影Ⅱ向非常大，普通的工頻變壓器100kW功率等級的重量在300-500kg，如果我們采用工頻變壓進行降壓隔離處理，那么電源部份就非常重，并且功率因數也較低，所以這種方式并不適用于現場的搬運和測試。因此，我們采用開發5-10kW的電源模塊，多個電源模塊進行并聯使用的方法?？紤]到設備并非工作在長時間連續的狀態下，分布設計可以分散電源熱量。同時，不必采用很大功率的器件，可減輕電源重量，提高電源的穩定性。另外功率小的電源開關頻率可以做得相對較高，越大功率等級的電源開關頻率越低。所以采用多個模塊并聯的工作方式將會大減小電源部份的重量。

4.2放大器模塊

設定設備的帶載能力50V，帶載的峰值電壓應該為50x1.414=70.7V，最大電流2000A，最大的峰值電流為2000x1.414=2828A，電流的上升時間最大為500us，我們可以推算出輸出負載的最大電感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以設備輸出的電感負載必須<12.5uH。輸出負載的直流阻抗是根據輸出線路的長短和截面面積決定的，為了減小重量，輸出線路我們預設為lm，來回則為2m，純銅線的電阻率為1.75x10m，輸出線路采用200mm2，輸出線路的直流阻抗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載上形成的電壓U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

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

因此，放大器模塊l的主功率拓撲參數可以確定。采用全橋開關放大器，開關頻率為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間為t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模塊2的主功率拓撲參數為也可以基本確定：采用全橋線性放大器，電源電壓80V，0A到輸出峰值電流的上時間為450us，模塊2的輸出時間t=2.45ms。模塊l和模塊2是并聯工作的，輸入的信號為相同的模擬信號，模塊2提供初始階段的暫態信號，當暫態信號輸出完成，模塊二停止，模塊接續模塊的輸出，進行連續輸出。

5結論

基于MOSFET的大功率放大器技術能夠實現大電流的輸出，可以暫態控制電流變化，電流輸出Ⅱ向應時間快，精度高，不僅能夠完成變電站通流試驗，還能在互感器一次側模擬各種短路故障，實現變電站二次系統整體測試。同時，采用分布式設計理念，電源供電模塊與放大器模塊分開設計，減少整體體積和重量，便于拆裝移動，極大方便變電站現場調試檢修服務。基于MOSFET的大功率放大器技術真正實現了變電站一次系統故障真實模擬，對變電站現場調試檢修、電力科學院及高校和科研機構的電力研究有據大的幫助和指導意義。endprint