基于高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)的設(shè)計

張穎輝，彭 溪

（武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064）

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基于高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)的設(shè)計

張穎輝，彭 溪

（武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064）

摘 要：本文提出了一種基于高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)，分析了高頻正弦母線的優(yōu)點，給出了高頻正弦電壓源的設(shè)計方案，并制作了樣機，給出了試驗波形。說明了本方案在大功率電力電子設(shè)備中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高頻正弦母線 輔助電源系統(tǒng) 大功率電力電子設(shè)備

0 引言

近年來，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，大功率電力電子設(shè)備在工業(yè)以及國防領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速。在大功率電力電子設(shè)備中，控制電路，監(jiān)控電路以及驅(qū)動單元等均由輔助電源系統(tǒng)供電，輔助電源系統(tǒng)是硬件設(shè)計中不可或缺的重要部分，直接影響設(shè)備的性能和裝置運行的可靠性。

傳統(tǒng)的設(shè)計方式中多采用多個獨立的AC-DC電源模塊分別供電，電源數(shù)量多而且體積大，可靠性不一致。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，輔助電源裝置向著體積小、輕量化、低噪聲、大容量、高可靠性方向發(fā)展。

本文提出了一種基于高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)，分析了高頻正弦母線的優(yōu)點，給出了高頻正弦電壓源的設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

高頻正弦波母線電壓的優(yōu)點是：變壓器工作效率高，系統(tǒng)中潛在噪音低，EMI影響程度低，在大功率電力電子設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景[1,2]。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示，本系統(tǒng)以高頻正弦電壓源作為母線，輸出到設(shè)備的每個需要輔助供電處，經(jīng)過一級變壓器隔離降壓和整流濾波后，變換成設(shè)備所需的輔助電源的電壓等級，可以為±5 V，±15 V，±24 V不等，且各支路彼此獨立，可以大大減小輔助電源的體積和重量，同時在電網(wǎng)和負載之間形成良好的隔離，保證各個部分的輔助供電質(zhì)量。

2 電源方案設(shè)計

為保證高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)可靠運行，高頻正弦電壓源的設(shè)計方案尤為重要。

2.1高頻正弦電壓源的電路原理

下面給出了輔助電源系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件高頻正弦電壓源的原理示意圖。

該電源拓撲采用了3級變換，第一級變換為三相不控整流，將3相380VAC交流電變換為直流，第二級變換是采用雙管正激變換，經(jīng)過變壓器T1隔離降壓后穩(wěn)壓再整流得到直流的脈沖電壓；第三級變換采用推挽電路變換，推挽變壓器T2初級的漏感組成諧振電感Lr，與變壓器初級并聯(lián)電容（C8,C9,C10）產(chǎn)生并聯(lián)諧振，從變壓器T2輸出高頻正弦波，輸出頻率由LC諧振頻率來確定。

圖 1 高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)框圖

圖2 高頻正弦電壓源的原理示意圖

圖 3 理想條件下LC并聯(lián)諧振式推挽電路示意圖

2.2工作原理分析

為研究此電源拓撲的工作原理，須對其進行拓撲作合理假設(shè)等效，假設(shè)條件如下[3,4]：

1） 所有應(yīng)用的開關(guān)管為為理想開關(guān)管；

2） 單個開關(guān)周期內(nèi)，輸入電壓基本保持不變，三相不控整流后的電壓基本保持不變，且C1，C2，C3，C4足夠大，在一個工作周期中可以認為C1和C3的中間點電位保持不變；

3） 電感和電容均為無損耗理想儲能元件；

4） 不計線路阻抗。

在以上假設(shè)條件下，根據(jù)電路拓撲，第一級的不控整流變換可以等效為一個直流電壓源，第二級的雙管正激DC-DC變換為較為常規(guī)的拓撲形式，經(jīng)過第二級變換后，得到的是輸出為近似正弦半波的直流電壓源；第三級的推挽式LC并聯(lián)諧振DC-AC變換，在理想情況下，將其等效電路簡化為如下圖所示，開關(guān)管VD3和VD4以不變的50%占空比輪換開通，L1為變壓器TX1的初級等效漏感，同時即為參與諧振的電感Lr，C1為等效諧振電容Cr。在一定的頻率范圍內(nèi)可使VD3和VD4工作于零電壓軟開關(guān)(ZVS)條件下，在理想條件下，當開關(guān)頻率f與LC諧振頻率fr相等時，此時線路的阻抗最小，電流i的波形近似為正弦波，此時輸出電壓也為與電流同相位的正弦波。改變開關(guān)頻率可使變壓器中諧振電壓隨之變化，從而實現(xiàn)對負載電壓進行調(diào)整，從而實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)[5]。

圖 4 VD3的驅(qū)動波形和漏源電壓波形

2.3實驗結(jié)果和波形分析

根據(jù)以上的分析，試驗制作了一臺輸出為60 V頻率為50 kHz的輔助電壓源。用示波器對主要輸入和輸出量進行了觀測和記錄，測得的實驗波形如下圖所示，可見樣機能夠輸出較好的正弦波形。同時由于應(yīng)用了軟開關(guān)技術(shù)，輔助電壓源的效率也較高，測得效率約為86%。

圖 5 VD3的驅(qū)動波形和變壓器輸出波形

3 應(yīng)用

根據(jù)本文中的方案制作的樣機應(yīng)用在一臺大功率變頻器的輔助供電系統(tǒng)，同時設(shè)有一臺冗余的高頻正弦輸出電壓源，用于冷備份，此系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，對控制回路未造成不必要的干擾。

4 結(jié)論

本工作研究了一種基于高頻正弦母線的輔助電源系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的主要部件高頻正弦輸出電壓源的原理進行了說明，設(shè)計制作了樣機，結(jié)果進行了驗證。此種輔助供電系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的電磁輻射以及很好的負載特性，在大功率電力電子設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]Edry D,Yaakov B.Dynamics o f the cap acitiveloaded push-pull parallel-resonant converter:investigation by a SPICE compatible average model[C].IEEE Applied Power Elee-tronics Conference and Exposition,1994,2:1035-1041.

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[3]Hwu K I ,Yen Wen-chih,Chen Y H.Digital control of isolated two-stage DC- DC converter with synchronization considered [C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Seou1,2009:1598-1603.

[4]趙磊.LLC諧振變換器的研究[D].成都:西南交通大學碩士學位論文,2008.

[5]袁有臣,王彥生.電流型零電壓軟開關(guān)并聯(lián)諧振推挽DC/DC變換器[J].青島科技大學學報,2010,31(6).

Design of High Frequency Sine Wave Output Auxiliary Power Supply System

Zhang Yinghui,Peng Xi
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064;)

Abstract:The high frequency sine wave output auxiliary power supply system is put forward,and the advantage of the high frequency sine wave bus is analyzed.The design method of the high frequency sine wave output power supply is given,a sample power supply is made,and the main waveform is listed.The forward application of the system in the high power electrical equipment field is shown.

Keywords:high frequency sine wave output bus; auxiliary power supply system; high power electrical equipment

作者簡介：張穎輝（1983-），女，工程師。研究方向：船用電力推進變頻裝置控制硬件設(shè)計。

收稿日期：2015-12-16

中圖分類號：TM76

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0075-03