基于諧振式軟開關的高頻高壓電源設計

肖小龍，司鑫堯，蘇 偉

（國網江蘇省電力科學研究院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在工業生產中，比較棘手的問題就是粉塵處理，常規的處理方法效果不好，因此相關人員研究出了使用高頻電壓電源配合諧振式軟開關來進行處理[1]。常規的高頻高壓電源的充電速率慢、效果也差，因此本文基于諧振式軟開關對高頻高壓電源進行了優化設計。

1 基于諧振式軟開關的高頻高壓電源優化設計

1.1 選擇高頻高壓電源主電路

在設計諧振式高頻高壓電源之前，需要進行頻率轉換，將輸入到電源中心的高頻電流轉化為輸出的低頻電流[2]。轉換后，可根據此時的電流數值進行后續的升壓處理，加入相應的負載。基于此設計的主電路簡圖如圖1所示。

圖1 主電路簡圖

由圖1可知，首先將電流輸入到整流變換機進行高頻逆變，然后進行升壓轉換，保證輸出的電流也是高壓整流電流。根據高壓變頻原則，設計了電源主電路拓撲結構，如圖2所示。

圖2 主電路拓撲

由圖2可知，半橋逆變器電路需要兩個等容的直流濾波電容器支撐。由于逆變器的開關裝置很小、開關管電壓不高、操作簡單且輸出功率小，因此一般適合中小型電路[3]。處理大型電路時，需要使用更大的轉換器來提升轉換電壓，并通過高壓硅堆將產生的直流高壓傳輸到逆變器中。當直流母線電壓為高壓時，需要使用升壓變壓器，對變壓器的體積和漏感預先進行控制，其他參數也必須能夠滿足絕緣強度的要求。

1.2 基于諧振式軟開關設計整體電路

由于諧振式軟開關要求整體電路處于直流狀態，因此需要利用三相晶閘管進行調試，調試后才能進行后續整體電路的設計。整個電源主要包括處理電路信號的濾波電路和晶閘管[4]。在設計整體電路前，需要進行驅動電路采樣。選取三相相控器來處理采集的電流，電流采集后利用變阻器來進行第二次調整，調整內容包括相控電壓，直流電流數值等[5]。將采集到的數值輸入到變壓器中，計算此時的相控角α與相控電壓Ud的關系為：

式中，Ud代表總電壓。根據計算的數值添加相應的相位控制角因數，以降低功率因數。通常在直流輸出端連接一個濾波器，由于直流電抗器比相同容量的交直流電抗器更貴、噪音更大，因此本文通過移除直流電抗器并在交流入口側安裝交流電抗器來進行過濾[6]。

1.3 選擇IGBT逆變驅動電路

對于本文設計的高溫高壓電源，需要選擇逆變驅動電路來控制最高的工作溫度。在全橋逆變器中，每個開關導通電流的平均值均為母線電流的一個循環。但是，考慮到諧振式軟開關電流的間歇工作模式，需要將電流峰值設置到最高[7]。選擇額定電流在600 A以上的IGBT逆變驅動電路。

選用兩個400 A/1 200 V IGBT模塊作為并聯開關，與仿真分析選擇相同的IGBT電路、CM400DY-24NF半橋和IGBT模塊，額定電流設置為400 A，額定電壓設置為1 200 V，結溫范圍-40C至150C[8]。在選擇并聯IGBT時，應特別注意器件特性的差異。兩個輸出特性不匹配的IGBT并聯使用會使輸出特性更陡峭、初始飽和導通電壓更小的IGBT承受大部分電流，造成更大的損耗。IGBT還具有負溫度系數，無法自動達到熱穩定狀態。因此，應選擇參數嚴格對稱的IGBT并聯，最好選擇同批次同型號生產的IGBT。

1.4 設計主功率回路

在大功率轉換器件中，主功率回路的設計是一個非常重要的環節。在高頻高壓電源中，選用IGBT作為主功率回路，以避免嚴重的電磁干擾。本文采用了一種特殊的疊層母線結構來減少回路的雜散電感。從直觀上看，正負寬平板可以吸收電容，起到降低電感的作用。但匯流條的設計應考慮互連匯流條之間的距離關系，即電容器與IGBT主功率回路之間的距離應該很短。兩個IGBT并聯使用時，必須設計對稱的參數以滿足均流要求。

將4個IGBT分別固定在兩個散熱器上，將兩個并聯模塊靠近，以減少并聯的不對稱參數。然后將濾波電解電容放置在模塊與模塊之間一定距離處，電解電容器放置在匯流條上方，4個IGBT放置在匯流條下方。電容器應盡可能靠近模塊，以減少雜散電感。疊層母線放置時需要在兩塊相同尺寸的矩形波紋板之間插入一塊稍大的絕緣板，使兩塊銅板緊密接觸。

在理想情況下，希望將主電路設計為雜散電感為零的消除吸收電路，但實際上很難實現。因此，本文設計的電源采用了疊層母線結構，可以很好地降低雜散電感，用相對簡單的吸收電路達到更理想的電壓尖峰吸收效果[9,10]。

1.5 設計高頻升壓變壓器

根據電源的相關參數，設計了變壓器的工作參數，即頻率約為20 kHz、功率約為60 kW、允許溫升約為40、一次輸入電壓約為500 V、方波二次輸出電壓約為60 kV、最大功率約為60 kW。為了減小變壓器的體積和匝數，通常采用超細晶合金材料磁芯、鐵氧體材料磁芯等材料。

2 實 驗

在充電電容兩端并聯一個2 000∶1的高壓電阻分壓器，控制電路和顯示電路會得到一個充電電壓反饋信號。充電電源的最大電壓為20 kV，輸出分壓器的低壓電阻臂的電壓信號為0～10 V，分壓器輸出的電壓信號準確快速地與控制電路和顯示電路接地。檢測使用常規的高頻高壓電源和優化后的高頻高壓電源的充電參數。

2.1 實驗準備

霍爾傳感器的初次級電流比固定為50 000∶1，只需測量次級電壓即可測出通過導體的電流值，此時的原理示意如圖3所示。

圖3 原理示意圖

根據圖3可知，當電源次級檢測不到電流時，電源會進行頻率調節，直至程序設置的最大頻率后驅動波形穩定。

2.2 實驗結果與討論

分別檢測本文設計的電源的輸出電壓和常規電源的輸出電壓，比對兩者與標準輸出電壓的差異，結果如表1所示。

表1 實驗結果

由表1可知，在輸出電流不同的情況下，本文設計電源的輸出電壓始終與標準的輸出電壓擬合、差距較小且充電速率快，能夠滿足目前的需求。

3 結 論

綜上所述，本文在傳統的高頻高壓電源的基礎上分析其存在的使用問題，設計了基于諧振式軟開關的高頻高壓電源。該電源的設計對相關的工業領域來說有重要意義，實驗證明本文設計的電源充電時間短、輸出電壓準確且充電速率快，有一定的應用價值。