大功率斬波電源的高頻振蕩分析

初 蕊，陳元初，蔡宇峰，李 超，涂紹平，甘 幸

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大功率斬波電源的高頻振蕩分析

初 蕊，陳元初，蔡宇峰，李 超，涂紹平，甘 幸

（株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

大功率斬波等離子弧電源在基于IGBT斬波的超高系統集成頻率下會產生較大的電壓諧振導致熄弧，解決輸出側直流電壓高頻振蕩提高輸出電壓特性，是一個技術難題。本文以某等離子弧電源項目為基礎進行建模分析，進行仿真和試驗驗證。表明精確增加多級高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問題。

斬波電源 高頻振蕩 等離子弧

0 引言

現代煤化工是一種通過等離子弧高溫使煤炭與工業氣體發生化學反應的復雜過程，該系統中等離子弧電源是最關鍵的部分；等離子弧主要對電流非常敏感，斬波電源系統需要配置大電感（幾mH到幾十mH）來限制電流的波動，由于大電流電抗器在設計制造時存在較大的分布電容，在斬波電源系統中此分布電容與負載及線路的寄生電感會形成高頻振蕩形成反電勢，此反電勢也會造成等離子弧不穩定甚至熄滅。本文探討如何解決這個高頻振蕩問題，使系統能正常運行。

1 斬波電源介紹

斬波電源是一種利用IGBT等器件的高頻開關特性將固定的直流電壓轉換成可變的直流電壓的一種變換器，有多種主電路形式；本文中的大功率斬波電源的功率單元采用的是一種BUCK電路，單個IGBT的開關頻率為3 kHz，理想斬波電源的系統原理及輸出電壓如圖1所示。

圖1 斬波電源等效系統原理圖

大功率斬波電源就是利用IGBT的高頻特性設計的一種電壓快速響應的等離子弧電源，通過配置大功率電抗器來提高輸出電流的紋波特性和穩流特性。在工程應用過程中，由于大功率電抗器自身存在分布電容，負載及線路中存在寄生電感，在輸出側會形成高頻振蕩過電壓，實際的電路如圖2所示，輸出波形如圖3所示。該振蕩電壓可能會損壞開關器件，更重要的是會使等離子弧熄滅。

2 高頻振蕩分析

對大功率斬波電源進行簡化后的高頻振蕩等效電路如圖2所示。其中為大功率平波電抗器4 mH，C為電抗器分布電容約50 nF，為負載和線路的寄生電感約5mH，R為負載電阻約0.8 Ω。

系統輸入電壓為幅值E=810 V，頻率=3 kHz，占空比40%的方波電壓，如圖3；其傅里葉展開式為：

其中：

為周期（即1/f），為整數。

由上述計算可以看到，0為恒定直流分量，公式剩余部分為交流分量；交流分量在分布電容和電感L之間形成串聯諧振，諧振頻率為：

所以系統諧振為高頻振蕩，特征頻率為基波頻率的整數倍時輸出電壓均有不同程度的電壓諧振，交流分量的特征頻率在諧振點時諧振電壓最高；輸出電壓o為恒定直流分量和各特征頻率下的交流諧振電壓的復合電壓。

根據串聯諧振回路原理，輸出電壓為：

其中X，X分別為對應頻率下的平波電抗器，負載及線路寄生電感的阻抗；X//C為平波電抗器和分布電容并聯后的阻抗。采用PSIM軟件對上述電路進行建模仿真分析輸出電壓o的波形，波形圖如圖3所示。

由上述計算和仿真結果可以看出，輸出電壓直流分量為324 V，振蕩電壓峰值約為1100 V，最小值約為-410 V，振蕩范圍約為±700 V。該大功率斬波電源的輸出為高頻振蕩，振蕩電壓波動范圍大，在輸出側呈現反電壓；等離子弧負載在起弧階段（見參考文獻2）對電壓要求高速響應同時不允許有反電勢的情況，所以高頻振蕩會影響等離子弧負載的正常運行。

圖2 大功率斬波電源原理

圖3 系統輸出波形及放大后的波形

3 高頻振蕩改善

以等離子弧做負載的大功率斬波電源主要是要求輸出電流穩定；對于電壓，要求在起弧過程中響應速度快，并且不能有反電勢出現，否則會滅弧。根據以上原則可以選擇高頻濾波電容，電容值選擇滿足慮除高次振蕩電壓即可，電容值太大會影響直流電壓的快速響應特性。

3.1 濾波電容計算方法

電容的濾波過程就是電容的充放電過程，如圖4所示，在0-1時間段電容處于充電階段，振蕩電壓峰值被抑制；電容充電過程如下式：

其中U0為電容的初始電壓，取700 V（振蕩峰值）；Uc取2倍直流分量值（確保諧振時不產生負電壓）；R為回路充電電阻，取1 Ω；t= t1- t0≈1×10-7 s。計算得濾波電容約為80 nF。

同樣在2-3過程電容處于放電階段，抑制電壓跌落趨勢使電壓波動限制在正電壓范圍以內。電容放電過程如下式：

其中0為電容的初始電壓，取324 V（直流分量）；U確保不產生負電壓即可，取50 V；R為回路放電電阻（負載），取0.8 Ω；=3-2≈1×10-7s。計算得濾波電容約為67 nF。

3.2 仿真分析和試驗驗證

通過上述計算，采用PSIM軟件對大功率斬波電源系統進行仿真分析，仿真模型如圖5所示，仿真輸出波形如圖6所示。從仿真結果可以看到加裝高頻濾波器之后，高頻振蕩電壓的峰值由1100 V降低到625 V，諧振最低電壓由-400 V升高到55 V；仿真結果與計算基本相符，也滿足實際工程應用的要求。

在工程化應用中，普通薄膜電容不具備高頻濾波特性，高壓瓷介電容才能有效濾除高頻諧波分量。該等離子弧用大功率斬波電源采用的是單個6.8 nF的高壓瓷介電容多個并聯配置方式，加裝高頻濾波支路前后的波形如圖7和圖8所示，高頻振蕩得到明顯抑制，同時又不影響輸出電壓的快速響應能力。

4 結語

本文結合對電路的分布電容和雜散電感精確的建模計算，精確增加多級高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問題。通過計算仿真和工程應用對比，該方案可行且并確保項目順利投產，本文提出的計算思路和解決辦法對大功率高頻電路應用有很強的借鑒意義。

圖5 系統仿真模型

圖6 增加濾波電容前后的輸出電壓波形

圖7 未加高頻濾波的電壓波形

圖8 加裝高頻濾波后電壓波形

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Analysis of High Frequency Oscillation in High Power Chopper Power Source

Chu Rui, Chen Yuanchu, Cai Yufeng, Li Chao, Tu Shaoping, Gan Xing

( Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou 412001, Hunan, China)

TN751

A

1003-4862（2019）06-0017-03

2018-12-20

初蕊（1987-）女，工程師。研究方向：變流控制、測試技術。E-mail: churui@csrzic.com