《基于谐振软开关的大功率高压直流电源.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于谐振软开关的大功率高压直流电源.doc（11页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、基于谐振软开关的大功率高压直流电源第25卷第7期2008年7月机电工程MECHANICAL&ELECTRICALENGINEERINGMAGAZINEVo1.25NO.7Ju1.2008基于谐振软开关的大功率高压直流电源官威,刘军,邓焰,何湘宁(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:针对高压直流电源存在的问题,研制了一种基于谐振软开关高频逆变的大功率高压直流电源.从主电路结构,硬件电路设计和逆变控制策略等3方面给出了电源的设计过程,并对逆变主电路谐振式的工作过程予以分析说明.最后,给出了实验结果和波形,并进行了相应的分析.实验结果表明,研制出的高压直流电源能达到20kW,3
2、0kV的输出.关键词:高压直流;高频;串并联谐振;软开关;平面型母线中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:10014551(2008)07006104HighvoltageDCpowersupplyofhighpowerbasedonresonantsoftswitchingGUANWei,LIUJun,DENGYan,HEXiangning(CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Aimingattheproblemsofthehighvoltagedirectcur
3、rent,ahighpowerhighvoltageDCpowersupplybasedonhighequencyresonantsoftswitchinginverterwasdesigned.Thepowerdesignprocessofpowerstage,hardwarecircuitsandinvertercontrolstrategywereprovided.Andtheresonantoperationprocessofinvertercircuitwasalsoexplained.Experimentalresultsandwaveformswereproposedandana
4、lyzedintheend.Theresultsshowthatthepoweroutputis20kW,andthevoltageoutputis30kV.Keywords:highvoltagedirectcurrent(HVDC);highfrequency;seriesparallelresonant;soft-switching;planarbusbarO前言高压直流电源在静电除尘和高压电容充电等系统有着广泛的应用.传统的高压直流电源通常采用晶闸管相控整流后用工频变压器升压的供电方案.但这种低频的供电方式使得变压器和滤波器件的体积,重量比较大,且电源的输入/输出端都含有大量难以滤除的
5、低次谐波污染.而近年来,随着新一代功率器件(如IGBT,MOSFET等)的广泛应用,高频逆变技术也越来越成熟,为研制一种高性能的大功率高压直流电源创造了条件.本研究介绍一种基于谐振软开关高频逆变的大功率高压直流电源.1高压直流电源的设计1.1主电路结构主电路结构,如图1所示.由电网引入的三相交流电通过交流电抗器(ACL)接三相晶闸管相控整流电路,经母线电容滤波输出直流低压.可以通过调节相控角的大小来改变输出直流电压.由于功率较大,为了尽可能改善开关管的工作状态,选择全桥逆变电路拓扑.以能在大电流和高频条件下工作的IGBT器件作为逆变电路开关元件.逆变主电路把直流母线电压转换为频率20kHz左右
6、的矩形波交流电压.该交流电压作为谐振电容C和谐振电感(主要是变压器漏感)组成的谐振网络的输入.输入到高频高压变压器原边的高频交流电压,经变压器升压和高压硅堆整流之后转换为直流高电压给负载(此处为电阻R)供电.图1主电路结构图1.2硬件电路设计1.2.1驱动和保护电路富士公司生产的EXB841驱动集成芯片,属高速收稿日期:20080226作者简介:官威(1984一),男,湖北宜昌人,主要从事电力电子技术及其应用方面的研究.机电工程第25卷型,最高运行频率40kHz.正向和反向输出栅流可达4A,输入/输出问隔离电压为2.5kV,有高隔离能力,能驱动300A/I200V的IGBT.本研究选用三菱公司
7、型号为CM300DY一24NF的IGBT作为开关管,可由EXB841驱动.EXB84l芯片成本低,电路简单,但在大功率应用场合,EXB841也有其弱点内部提供驱动负偏压的5V稳压管易烧坏;驱动负偏压不足,在高压大电流的工作环境中,开关管的开关过程在负栅压信号上产生的干扰尖刺,可能使截止的IGBT误导通;当电源电压较高时,IGBT开通过程中,其电压下降到饱和压降较慢(4s5s),常会因EXB841过流检测延时(2s3s)不足而出现虚假过流保护;EXB841的过流保护没有锁存功能.采用的改进电路,如图2所示.为提高负偏压放弃使用EXB841内部的5V稳压管,使用外接的9.1V稳压管(z)产生约9V
8、的负偏压.同时为了使负偏压和保护阈值之和不超过13V(否则EXB841将进入过流保护状态而无法正常工作),采用24V的辅助驱动电源供电,保证.:向栅压为15V.另外6脚和IGBT的集电极之间所接的快恢复二极管和稳压管会影响过流保护整定值的大小,可以通过调节快恢复二极管和3.3V稳压管的数量来调整这个整定值的大小.为避免IGBT开通时出现的虚假过流保护,可在6脚与9脚问并接电容(C)来增大EXB841过流检测的延时.为可靠地封锁故障时IGBT的驱动脉冲,将5脚的保护信号引入锁存电路.同时采用快速霍耳检测母线电流,滤波后经比较器和锁存器,输出保护信号接到驱动电路封锁驱动脉冲.图2EXB841驱动电
9、路图1.2.2平面型母线结构在逆变电路中,当开关管关断时,因直流母线和主电路其他环节杂散电感的存在,会引起电压尖峰,严重时会超过IGBT的额定电压值,致其损坏.工作电流越大,功率主回路杂散电感越大,引起的浪涌电压就会越大,因此大功率逆变主回路要特别注意减小杂散电感.除外加吸收回路外,本研究采用了一种特殊的平面型母线结构来减小功率回路母线电感.其结构示意图,如图3所示.IITv模块PvIIGB2I搏I(&&)(a)滑I(Br模块2端的制视【b)I线板F霸的俯视图3平面型母线结构示意图其具体结构是2块尺寸相同的矩形薄铜板之间插入一块稍大尺寸的绝缘板,使之互相重叠紧贴.2块铜板分别作
10、为正负母线,直流滤波电容和2个IGBT模块(每个模块为2个IGBT串联)固定在母线下方的支架或散热器上.电容应尽量接近模块以减小杂散电感.正母线板连接电容正极,IGBT模块l(5和s)的C,端和IGBT模块2S和S)的C端;负母线板连接电容负极,IGBT模块1(5和5)的E端和IGBT模块2(5和5)的E,端,而两模块的CE.端作为逆变电路的两输出端引出.在母线板与模块(或电容)的连接处打孔,用导电铜螺杆连接模块(或电容)端子和母线板,并应设计好孑L径的大小以保证不应连接的母线板与螺杆之间有一定的爬电距离,避免发生短路故障.1.2.3高频高压变压器的设计高频高压变压器是高压直流电源的重要环节之
11、一,其性能的好坏不仅直接影响到变压器本身的效率和发热等问题,而且决定着系统能否输出额定的电压和功率,影响着整个系统的性能.本设计中,高频高压变压器传递的是高频脉冲,变压器既有功率传递,电压变换和电气隔离的功能,其分布参数又作为谐振电路的一部分.变压器漏感参与组成谐振软开关式逆变器,参与功率开关管的软开关过程.漏感较大会限制变压器的输出功率,影响谐振频率以及增大开关管在硬开关时的开关应力.为减小变压器体积和漏感,采用磁导率较高,高频损耗较小的铁氧体磁芯,变压器原边匝数较少.为增强变压器原副边耦合,减小漏感,磁芯结构采用EE型,原副边都绕在中心柱上.在选择线圈尺寸时应考虑到高频线圈的集肤效应和临近
12、效应.实际设计的变压器变比为1:120,漏感控制为几个微亨.为保证绝缘和有利于散热,变压器采用油第7期官威,等:基于谐振软开关的大功率高压直流电源的研制?63?浸式.另外为方便集成,高压整流硅堆和变压器封装在一个油箱中.1.3逆变控制策略在大功率应用场合,由于常规PWM(PulseWidthModulation,脉宽调制)控制时,开关管工作于硬开关的状态,电磁干扰较大,开关管损耗和损坏几率较大,不利于进一步提高开关频率,同时也影响了电源的稳定性和效率.本电源采用PAM(PulseAmplitudeModula.tion,脉幅调制)和PFM(PulseFrequencyModulation,脉冲
13、频率调制)相结合的调制方式,并结合谐振软开关改善开关管的开关环境.PAM控制利用晶闸管相控整流电路调节直流母线电压来调节输出功率,PFM控制通过改变逆变电路的工作频率来调节输出功率.功率主回路利用高频高压变压器的漏感和外加电容构成串联谐振电路.设开关周期和谐振周期分别为.和,当满足T2T.时,谐振电路工作于不连续导电模式(或临界连续导电模式).开关管IGBT为零电流开通,零电压/零电流关断,反并联二极管为自然开通和关断,大大减小了IGBT模块的开关损耗和温升.另一方面,也减少了进入高频升压变压器的高次谐波,以及变压器,高压整流硅堆的损耗.2谐振工作过程分析由于变压器分布电容和高压整流硅堆寄生电
14、容的存在且不可忽略,使得设计的串联谐振逆变器实际上成为一个串并联谐振逆变器.以下对谐振的过程予以简要的说明.设直流母线电压为,负载高电压折算至变压器原边为.由于负载滤波电容较大,在一个开关周期内,可视为恒定.谐振电感为,J,谐振电容为c,变压器和整流硅堆折算至原边的等效并联电容为c,.在半个开关周期内,谐振过程分3个模式进行.下面以前半个开关周期为例进行分析:(1)谐振周期开始,s和s导通.,J,C和C3个元件组成串并联谐振电路,谐振周期为T.=2竹丽/.c上电压逐渐上升,即变压器副边电压逐L十L2渐上升,在小于负载输出电压时,整流硅堆(D一D)全截止.等效谐振电路,如图4(b)所示,谐振电流
15、i>0.(2)当c上电压升至1,即变压器副边电压上升到输出负载电压后,整流硅堆D和D正向导通,变压器将能量从原边传输到副边.C上电压被箝位为,仅,J和c组成串联谐振电路,谐振周期=2,rr/C.等效谐振电路,如图4(a)所示,谐振电流i>0.(3)当谐振电流减小到零,s.和s自然关断,反并联二极管D.和D续流导通,谐振电流i<0,此时谐振电流峰值较小.变压器副边电压开始下降,整流硅堆又全截止,等效谐振电路,如图4(b)所示.此时,c和c:组成串并联谐振电路,谐振周期为.I_j1.(a)等效电路一(b)等效电路二图4谐振等效电路图反向谐振电流再次过零后,在s和s,的驱动信号来临
16、之前,谐振停滞,谐振电流保持为零.直到s和s,导通,上一个谐振周期结束,下一个谐振周期开始.此时,s和s,为零电流开通,此后谐振过程与前半个开关周期类似.谐振电流波形,如图5所示.t/ps图5谐振电流和逆变输出电压波形由以上分析可见,变压器只在其副边电压达到负载电压,整流硅堆导通时才传输能量;整流硅堆截止时,变压器并不传输能量.因此,从提高效率的角度看,需要在满足谐振软开关的前提下,尽可能地提高开关频率,缩短或取消谐振停滞时间和反并联二极管续流时间,提高正半波谐振电流的占空比.3实验结果大功率高压直流电源样机已研制成功,接47.8kn电阻和1nF电容作为负载.当输出负载电压平均值在30kV时,
17、直流母线电压平均值约为260V,谐振电流(即逆变电路输出电流)峰值约为150A.谐振电感为6H,谐振电容c.取为9F,测得变压器及整流硅堆折算至原边的等效分布电容c为0.95F.谐振周期为25s,开关频率为19kHz,谐振电路工作于不连续导电模式.谐振电流和逆变输出电压波形,如图5所示.由图5可见,谐振停滞时间很短(几乎为零),提高了效率.输出电压在030kV可调,输出电压为30kV时,负载输出电流平均值约为640mA,输出功率为19.2kW,逆变电路输入功率为?64?机电工程第25卷21kW.谐振电流和开关管s的驱动电压波形,如图6所示.由图6可见,IGBT为零电流开通,零电流关断,反并联二
18、极管为自然开通和关断,实现了软开关工作.t/its图6谐振电流和开关管S,的驱动电压波形4结束浯本研究设计的大功率高压直流电源,采用谐振软开关高频逆变的工作方式,缩小了体积,提高了性能,长期运行效果良好;但在更大功率的场合应用时,其控制策略和开关工作方式等方面还存在不少问题,有许多改进工作可做,比如,谐振电路目前工作于不连续导电模式,电流峰值较大,需选择较大容量的开关管;且有很大一部分时间变压器并不传输功率,效率不高.至于连续导电模式是否可行,则需要后续理论和实验的验证.参考文献(Reference):I朝泽云,徐至新,钟和清,等.静电除尘用高压供电电源特性浅析J.高电压技术,2006,32(
19、2):8183.林渭勋.现代电力电子电路M.杭州:浙江大学出版社,2002.陈燕东,孟志强,周华安.臭氧电源驱动保护电路的设计与实现J.电源技术应用,2005,8(10):3236.FIRUZZ,GERARDL.Side-by-SidePlanarBusbarforVoltageSourceInvertersC/IEEEPESC:S.n.,2002,4:19251929.JOHNC,FOTHERGILL,PHILIPWD,eta1.Anovelprototypedesignforatransformerforhighvoltage,highfre-quency,highpoweruseJ.IE
20、EETransactionsonPowerDelivery,2001,16(1):8998阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术M.北京:科学出版社,2000.编辑:张翔(上接第39页)用户还可以通过ARM管理的LCD及时了解电能质量情况,便于自动或手动采取有效处理措施.4结束语本研究成功地在DSP中实现了电能质量的在线监测和实时数据压缩,得到了较为满意的压缩比,由压缩结果得到的重构信号误差小;并且通过与ARM的配合,提供了友好的人机界面,因此,此套装置可直接应用到单相电路中.目前,DSP技术的发展突飞猛进,一些芯片主频已经高达300MHz,可以提供更快速的数值运算.通过采用新的DSP,可以
21、进一步提高采样频率,降低重构误差,所以该套装置还可以推广到三相电力系统的电能质量在线数据压缩中去.参考文献(Reference):1LITTLERTB,MORROWDJcompressionofpowersystemdisturbancesJ.IEEETransonPowerDelivery,1999,14(2):358364.2KIMCH,AGGARWALR.WavelettransformsinpowersystemsJ.PowerEngineeringJournal,2001,15(4):193202.3任震.小波分析及其在电力系统中的应用:第1版M.北京:中国电力出版社,2003.4严居斌,刘晓川,张斌,等基于DSP的小波算法的实现J四川大学:工程科学版,2002,34(2):92955徐佩霞,孙功宪小波分析与应用实例:第2版M.合肥:中国科学技术大学出版社,2001.6欧阳森,宋政湘,陈德桂,等.基于小波原理的电能质量监测数据实时压缩方法J.电网技术,2003,27(2):3740.7高培生,吴为麟,林震宇.基于ARM和DSP的实时谐波源定位仪的研制J.仪器仪表,2007,28(11):20672071.编辑:李辉I_寸_