马永堂1 赵刚2
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摘要：以电流源母线为架构的多路输出高压隔离驱动电源。该电源拓扑、控制简单，适用环境好，装卸方便。主要对该架构驱动电源和IGBT驱动配合使用进行了详细分析、仿真和实验验证。结果表明该驱动电源可与IGBT驱动配合使用，能很好地运用在需多路输出的高压隔离场合。随着轻型高压直流输电的发展，该类型电源作为驱动电源，具有广阔的应用前景。本文分析了高压隔离和多路输出，并以实例探讨了风力发电广泛应用多路输出高压隔离驱动电源。
关键词：电源；多路输出；高压隔离
中高压电力电子装置应用中，开关半导体器件受到耐压的限制必须串联使用。因此，多路输出是对驱动电源的必然要求。同时，串联器件的驱动参考电位几乎都是浮动的，因此各器件的驱动都需要一定高压等级的隔离性能。
一、高压隔离和多路输出
1.结构和特点。经由电流变压器实现驱动的磁隔离和多路输出，供给各个驱动模块驱动功率。它的磁心采用环形结构，一次绕组仅有一匝或更少。每个驱动模块都配备一个电流变压器。根据串联型交流母线思想，可以选择一根高压绝缘电缆线构成各个电流变压器的统一一次侧，这根电缆线穿过所有电流变压器磁环的中心。磁环的二次侧绕组可以适当地绕几匝，取出交变电流功率信号，经过整流、滤波、稳压，即可成为一路隔离驱动电源。其特点如下：
（1）高电压等级隔离。由于采用高压电缆传递功率，保证了一、二次侧间的隔离电压至少等于这根高压绝缘电缆线的隔离电压。而超高压隔离性能的电缆，它的外层绝缘层能够很容易地达到15kV的高压隔离等级，因此变压器的一、二次侧绕组之间的隔离电压就可以达到相当高的等级。同时，由于采用光纤传输控制信号，而光纤具有非常好的抗电磁干扰的能力，高的电绝缘性能，每米耐压200kV，是目前高压和低压隔离通信最理想的材料，因此控制信号隔离电压也可以达到相当高的等级。
（2）多路输出特性。电流变压器的磁环与驱动模块可以整合，配合器件的安装。交流母线只是穿过磁环所以容易实现输出路数的可增减性；交流母线可以穿行于装置所有需要驱动电源的地方，便于驱动电源的安装。
2.电流变压器磁心。其中关键技术是电流变压器，由于结构上采用环形磁心，一次侧匝数少且固定，因此对磁心的选择也提出了一定要求。磁导率高。高的磁导率能够获得大的励磁电感。同时结构上要求磁路长度短，截面积大以获得良好的电磁耦合效果，降低励磁电流。磁心损耗小。磁心损耗可以近似表示为： 式中，ΔB 为磁感应强度变化值；λ1 为伏秒值；Np为一次侧匝数（＜1）；Ae 为等效磁路截面积；le 为等效磁路长度；f 为工作频率；ηfe 为损耗系数；α、β为指数系数。Np 小会导致磁心损耗的急剧增大，因此对于电流变压器的应用要求磁心损耗系数小。一定的功率等级。电流变压器励磁电感存储无功功率，有功功率传输效率低，因此相对处理功率较大。对磁环而言，则要求有高的磁通饱和密度。温度稳定性好。励磁电流大（ΔB 大），磁心损耗大、温升高，因此要求磁心具有好的温度特性和高的居里温度。
二、实例分析
1.近年，风力发电得到广泛的研究，已经成为电力系统不可或缺的一部分。由于风电自身因素的限制，远距离交流输电存在一定局限性。因此，考虑到传输效率以及经济性、控制简单性，通常使用高压直流输电技术来传输风能。资料显示，该驱动电源配合固态短路限流器的使用进行了实验。在此介绍了该驱动电源在IGBT 驱动中的应用，分析电路中部分参数对输出电压的影响，并进行仿真验证，给出了相关实验波形。
2.系统架构、电路拓扑及其工作原理
（1）图1 示出该系统架构示意图。输入电压在滤波后经过全桥逆变形成幅值恒定的交变电流源，加入的串联谐振网络可以改善电流波形，使之更趋于正弦波。电流变压器采用环形磁芯，使用高压电缆作为该交流电流母线穿过所有磁环作为初级，在磁环上适当地绕几匝作为次级，次级电流经过整流、滤波、稳压，可以成为一路隔离驱动电源，给IGBT驱动板以及光纤接收器供电。工作情况如下：当IGBT启动和关断瞬间需要较大电流时，需要电流变压器取出比较大的功率供给驱动电源；当IGBT处于导通时段时，需要取出的功率相应变小一点，保证IGBT 门极与发射极之间电压足够能维持其处于开通状态；当IGBT处于关断时段时，则只需要给IGBT 驱动板和光纤接收器供电。上述IGBT 驱动板以及光纤接收器需要一直供电，以保证能随时耦合到光纤的控制信号来驱动IGBT。因此，单个高压稳压驱动电源都至少会有一个约为1kΩ的负载阻抗。IGBT是场控器件，输入阻抗无穷大，在并联上述大小变化不大的负载后，次级将会一直有负载阻抗存在，稳压模块时刻都需要向负载提供能量。
（2）电流型高压隔离驱动电源的拓扑。通过调频控制桥臂间输出电流的平均值，即控制电流母线为一幅值恒定的交变高频电流源。考虑次级是在整流后供给负载功率，且次级稳压模块也需要消耗功率，因此整个次级，包括稳压模块和负载可以合在一起，看作是一个有功消耗，在这里便可以假设长虚线框内的次级高压驱动模块用电阻R等效。该拓扑结构、控制简单，设定开关频率高于串联谐振的谐振频率点，则可使电路工作于感性状态，开关管开通前电流通过开关管对应的体二极管续流，因此全桥开关管可实现零电压开通。同时由于MOSFET 结电容的存在，开关管可实现零电压关断。由于开关管结电容的存在，当斜对角的两个开关管导通时，未导通的两个开关管上的结电容会与整个串联谐振网络一起振荡。
3.次级负责从电流母线中取出功率，提供能量给驱动板以及光纤接收器。考虑到运用于高压环境，因此该稳压电源需要实现对其自身控制芯片的自供电，直接使用该稳压模块的输出电压连接到控制芯片，开关管和控制地共地，可直接利用芯片的驱动输出来驱动开关管。在该系统中，选用M57962AL 为IGBT 驱动板，光纤接收器为HFBR-2521，通过计算，可得其后面负载等效过来的阻抗变化范围为0.46-0.75kΩ。在仿真中加入上述阻抗变化范围可知，等效负载阻抗在0.45-0.75kΩ 间变化时一直稳定，其平均值为19.668 V，因此电压调整率明显小于1%。这是因为假设负载阻抗很大，则相当于电流源开路，这是不允许的，因此此时需要将电流源短路，而控制芯片不可能提供100%的占空比，所以需要负载提供一个合适的阻抗来消耗功率。经过上述分析可得：在该系统运行环境中，使用高压隔离驱动电源配合IGBT 驱动板和光纤接收器来驱动IGBT 是合理且可行的。
4.驱动模块。该模块从电流变压器中提取驱动功率，将高频电流转化为直流电压，结合来自光纤的控制信号，驱动器件。实现器件驱动方式可以分为下列三种：
（1）电磁驱动方式，将低位驱动信号经脉冲变压器隔离后送到高位器件门极。但电磁干扰严重，且制造几万伏耐压的脉冲变压器技术上很困难。
（2）直接光驱动方式，将驱动脉冲信号转变为光脉冲，直接驱动高位光控器件（如晶闸管）。这种方式不适用于中大功率的应用场合。
（3）间接光驱动方式，将控制信号转变为光脉冲隔离，送至高位端。驱动器件则需要独立隔离辅助电源提供能量。其优点在于易于达到高压隔离等级。
通过高压隔离多路驱动电源系统的设计，不仅能够提高大功率电力半导体器件驱动控制技术，而且能够拓宽其应用范围，节约成本，提高效率，增加高压驱动控制技术的可靠性和快速性，对现代电力电子技术的发展有着积极的意义。
参考文献：
[1]苏斌，吕征宇．新型中高压隔离驱动电源的架构[J].电工技术学报，2010，25（2）：121-126．
[2]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2011：236-258.
[3]夏令辉.新型多路输出高压隔离电源及其在固态短路限流器中的应用[D].杭州：浙江大学，2013.
论文作者:马永堂1,赵刚2
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/4/5
标签：电流论文; 高压论文; 电源论文; 变压器论文; 功率论文; 电压论文; 多路论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;