一種直流電源快速轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)和仿真

程駿

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

采用直流電網(wǎng)供電的網(wǎng)絡(luò)為保證重要用電設(shè)備的工作可靠性，通常會(huì)采用兩路獨(dú)立電源為這些負(fù)載供電，當(dāng)工作電源故障時(shí)，立即切斷故障電源，投入備用電源。其一般實(shí)現(xiàn)方式是采用手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過手動(dòng)控制的方式進(jìn)行電源切換。這種方式操作簡單，但重要設(shè)備的供電切換要經(jīng)歷斷電-手動(dòng)轉(zhuǎn)換電源-通電-重新啟動(dòng)等一系列的過程。從故障斷電到到設(shè)備重新工作間隔時(shí)間較長，降低了設(shè)備供電的可靠性，尤其當(dāng)部分設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間較長或斷電影響較大時(shí)，保證其不間斷的供電就成了迫切需要解決的一個(gè)問題[1,2]。

本文設(shè)計(jì)了一種通過電力電子器件的開關(guān)完成主供電回路的切換為原理的大功率直流電源快速轉(zhuǎn)換裝置，闡述了其主要原理電路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過仿真和實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 電路原理與技術(shù)參數(shù)

圖1為直流不間斷電源轉(zhuǎn)換裝置原理框圖，系統(tǒng)包括以下幾個(gè)主要部分：電壓檢測電路、電流檢測電路、控制電路（帶觸發(fā)電路）、IGBT和二極管。

該裝置輸入兩路直流電源，輸出一路電源，正常工作不需人工干預(yù)；工作原理為：兩路輸入電源均上電后，控制電路將導(dǎo)通主電源回路中的IGBT1和IGBT2，使主電源接通輸出為負(fù)載供電，并保持備用電源回路中的IGBT3和IGBT4為斷開狀態(tài)，使備用電源處于空置狀態(tài)，同時(shí)控制電路實(shí)時(shí)檢測兩路輸入電源的電壓。當(dāng)主電源由于故障導(dǎo)致電壓低或斷電時(shí)，通過電壓檢測裝置采樣獲得電壓信號(hào)后經(jīng)控制電路判斷需要切換到備用電源，將控制IGBT1和 IGBT2斷開，并導(dǎo)通IGBT3和IGBT4，切斷主電源輸出，接通備用電源，完成電源切換。當(dāng)主電源恢復(fù)正常，控制電路判斷后將控制 IGBT3和 IGBT4斷開，導(dǎo)通IGBT1和IGBT2，重新恢復(fù)到主電源為負(fù)載供電。

本文中設(shè)計(jì)的電源切換裝置輸入電壓最高為DC700V，切換時(shí)間不大于5 ms(電源切換時(shí)間為輸出電壓從波動(dòng)到穩(wěn)定的整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間)，切換功率可達(dá)50 kW。

圖1 直流電源快速轉(zhuǎn)換裝置原理電路圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測電路設(shè)計(jì)

電壓檢測電路采用串聯(lián)電阻分壓電路配合高速數(shù)據(jù)采集模塊組成，檢測兩路輸入電壓和一路輸出電壓。由于輸入電源可能產(chǎn)生瞬間電壓波動(dòng)，因此會(huì)對(duì)電壓檢測電路產(chǎn)生一個(gè)瞬間干擾，并影響控制的性能，如何有效的克服此瞬間電壓波動(dòng)的影響，成為電壓采樣電路必須解決的關(guān)鍵問題。本裝置選用了采樣頻率為 10 kHz數(shù)字集成采樣電路。保證了系統(tǒng)能在以較高的速率進(jìn)行采樣，在滿足系統(tǒng)快速失電響應(yīng)的需要的同時(shí)，過濾掉部分高頻電壓干擾。大大降低了電網(wǎng)瞬間電壓變化造成裝置誤動(dòng)作的可能性[3,4]。

電流檢測電路采用在備用電源的支路上安裝一個(gè)霍爾元件，用于檢測支路上非正常電流，當(dāng)兩極上流過的電流絕對(duì)值之差不為 0，而是達(dá)到某個(gè)閥值時(shí)，即表明輸入電源之間有故障電流產(chǎn)生，霍爾元件輸出報(bào)警信號(hào)。

2.2 控制電路及保護(hù)設(shè)計(jì)

控制電路可采用簡單的邏輯芯片和數(shù)字集成化電路，原理如圖2所示。

圖2 控制電路原理流程圖

電源電壓經(jīng)過隔離放大器進(jìn)行采樣，通過差動(dòng)放大器進(jìn)行放大，計(jì)算出主電源采樣電壓U1，與備用電源采樣電壓U2，的壓差U2，-U1，由電壓比較器進(jìn)行比較，當(dāng)有U2，-U1，≥ΔU（定值）時(shí)，電壓比較器翻轉(zhuǎn)，輸出結(jié)果送入邏輯電路處理。邏輯電路控制驅(qū)動(dòng)電路指導(dǎo)電路切換。當(dāng)主電源恢復(fù)正常以后，電壓比較器輸出電源正常信號(hào)。邏輯電路確定主電源正常后，控制驅(qū)動(dòng)電路指導(dǎo)主電源觸發(fā)電路工作，備用電源切除。控制電路所采用IGBT驅(qū)動(dòng)電路為通用觸發(fā)電路。電壓ΔU的設(shè)定由可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般根據(jù)電源電壓值進(jìn)行靈活設(shè)定，保證電壓檢測電路不會(huì)采樣到引起轉(zhuǎn)換電路誤動(dòng)作的電壓信號(hào)，這種設(shè)計(jì)同時(shí)提高了電路的抗干擾能力。

“有電檢測”原理為分析二路輸入電壓和一路輸出電壓的幅值，在輸入有電而輸出無電的情況時(shí)，指示系統(tǒng)顯示報(bào)警；“輸出過壓”原理為分析輸出電壓的幅值，當(dāng)超過定值時(shí)即報(bào)警并通過封鎖電路同時(shí)關(guān)斷兩路電源——過壓報(bào)警；“內(nèi)部短路”原理為分析電流檢測電路檢測到的電流故障，及時(shí)報(bào)警并通過封鎖電路同時(shí)關(guān)斷兩路電源——短路報(bào)警。

控制電路自備輸出為15 V、50 W的開關(guān)電源，從由兩路直流幅壓電源取供電，任一路電源斷路或短路皆不會(huì)影響控制電路的正常工作。

本文控制電路從檢測電源故障到電路切換完成的時(shí)間不大于1 ms，這是直流電源快速轉(zhuǎn)換裝置有較高的響應(yīng)速度的保證。

2.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

穩(wěn)壓電路主要有電感和大容量電解電容組成，其作用為在電路切換期間穩(wěn)定負(fù)載端電壓，為保證主電路IGBT和二極管安全工作，避免電路初始電流過大產(chǎn)生的沖擊，線路中串入限流電阻R，待電路穩(wěn)定后即閉合開關(guān)K將電阻短路[5]。穩(wěn)壓電路如圖3。

圖3 穩(wěn)壓電路

圖4 緩沖保護(hù)電路

2.4 主電路IGBT和二級(jí)管設(shè)計(jì)

主電路由4個(gè)IGBT和4個(gè)二極管組成。分為兩組形成主電源和備用電源支路。IGBT和二極管皆配有緩沖保護(hù)電路,其典型電路如圖4所示，電路中的電容用于抑制瞬變電壓，快恢復(fù)二極管D可鉗位瞬變電壓，從而抑制電路可能產(chǎn)生的諧振。由于電路只在故障發(fā)生時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因而轉(zhuǎn)換的頻率很低，適當(dāng)設(shè)置緩沖電路的RC時(shí)間常數(shù)可以較為有效地抑制振蕩。

圖5 主電路仿真模型

圖6 仿真波形圖

3 仿真及試驗(yàn)

3.1 建立主電路仿真模型

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，掌握高效的模擬仿真計(jì)算軟件變得越來越重要。MATLAB中提供了系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具——SIMULINK，使用SIMULINK提供的用于電力系統(tǒng)仿真的電力系統(tǒng)工具箱POWERLIB，只需將工具箱模塊中的元件拖到SIMULINK窗口中，通過參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電路和電力系統(tǒng)的仿真了。本文搭建了輸入電源為串聯(lián)時(shí)一種電源轉(zhuǎn)換裝置及其穩(wěn)壓電路仿真模型，見圖5。本模型中電源轉(zhuǎn)換裝置不包含穩(wěn)壓電路部分，這是因?yàn)楹芏嘀匾O(shè)備前端已有類似穩(wěn)壓電路，我們可以直接利用這些負(fù)載的穩(wěn)壓電路以節(jié)省成本。

3.2 仿真時(shí)序控制

仿真采用多個(gè)信號(hào)源模擬控制電路的工作，觸發(fā)各開關(guān)元件對(duì)電路進(jìn)行控制，以下為一個(gè)過程為4s的控制時(shí)序：在0.1 s時(shí)接通主電源，此時(shí)電路通過一個(gè)100 Ω電阻為穩(wěn)壓電容充電；2.3 s時(shí)采用一個(gè)可控硅短路此100 Ω電阻；2.4 s時(shí)采用一個(gè)可控硅接通負(fù)載；2.8 s時(shí)主電源斷電；2.805 s時(shí)備用電源接通；3.6 s備用電源斷電。主電路流過100 A電流的一個(gè)仿真結(jié)果如圖6。

3.3 仿真結(jié)果分析

負(fù)載在電流為100 A時(shí)，裝置輸出有一定沖擊電壓，但也在1500 V以內(nèi)，IGBT安全工作電壓為1700 V，串聯(lián)后耐壓更高，完全可以耐受這種電壓波動(dòng)的沖擊；裝置輸出電流沖擊也在IGBT的額定值（400 A）范圍內(nèi)。裝置與穩(wěn)壓電路配合后，經(jīng)過穩(wěn)壓電路的慮波作用，負(fù)載輸入端的電壓較為穩(wěn)定，峰值已在500 V以內(nèi)，可見其電壓和電流沖擊情況大大減緩，是可以滿足負(fù)載使用需要的。

4 優(yōu)點(diǎn)

電源轉(zhuǎn)換裝置響應(yīng)速度快，大大縮短了電源轉(zhuǎn)換裝置的斷電切換時(shí)間；電路的輸出功率可達(dá)50 kW以上，足以滿足大多數(shù)負(fù)載的功率要求；輸出電壓在電路切換時(shí)也能始終保持在負(fù)載的工作電壓（500V），提高了負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性；隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT和二級(jí)管等功率電子器件的應(yīng)用日臻成熟，使得電路有了較高的可靠性。

5 結(jié)語

新型直流快速電源轉(zhuǎn)換裝置可實(shí)現(xiàn)直流電源的快速切換，使得重要用電設(shè)備的斷電停機(jī)幾率大大減少，其功率大、電壓穩(wěn)定，保障了向負(fù)載供電的安全可靠，有力提高了設(shè)備可靠性。可以預(yù)測，這種新型直流電源快速轉(zhuǎn)換裝置將在高壓直流供電領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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