高壓直流寬范圍輸入輔助電源設計

許繼電源有限公司　袁順剛　常志國　張　濱　劉振威

許繼昌南通信設備有限公司　劉玉琦

引言

輔助電源系統存在于任何能量變換裝置中，在高壓柔性直流輸電系統中，其核心組件換流閥，需要為換流閥的控制與驅動電路提供穩定的輔助電源。為了降低電磁干擾，簡化進線線路等問題，輔助電源的輸入將直接從單個閥體的直流母線上取電。為了保證系統安全、換流閥的穩定可靠，要求母線電壓在較低情況下控制與驅動部分能夠正常穩定工作，即要求輔助電源盡可能在較寬范圍內工作。查閱關于高電壓、寬范圍輸入的輔助電源資料，目前國內外研究較少，比較集中在1500V以下。對更高電壓、更寬范圍的輔助電源很少研究[1][2]。本文從實際應用出發，設計出一款高壓輔助電源產品，給出了具體設計參數、實驗數據與波形。

1.方案設計

在張北±500kV架空線柔性直流輸電換流閥工程中，對輔助電源提出320～3600V范圍內可正常工作、輸出功率88W、高可靠性、多保護等要求。針對其特征小功率、寬范圍，選擇使用反激電路拓撲。

反激拓撲電路簡單、元件數量少、體積比較小、成本較低，可實現輸入與輸出電氣隔離，具有安全、可靠性高等優勢，被廣泛應用于各種輔助電源和小功率電源中[3]。其電壓范圍廣，適合各種不同電壓等級場合。在反激拓撲電路中單端反激變換器，其開關管關斷電壓應力較大，難以試用較高輸入電壓的場合，而雙管反激變換器的主開關電壓應力僅為輸入電壓，并且漏感能量可回饋到輸入母線，無需增加任何吸收電路，因次對比單端反激，雙管反激的整機效率比較高，其非常適用于較高輸入電壓和性能要求的場合[4][6]，故本設計的高壓輸入輔助電源將采用雙管反激拓撲結構。反激拓撲電路原理圖如圖1所示。

圖1　雙管反激拓撲結構原理圖

基于此原理圖，使用雙管反激拓撲，對輸入電壓范圍320～3600V、輸出電壓 220V輔助電源進行了設計研究。本文通過對輔助電源主電路及控制電路詳細設計方案、關鍵器件的選型、電壓環路設計來保證寬范圍輸入電壓實現、高壓隔離的實現和雙管高壓隔離與同步驅動電路功能實現。通過樣機調試過程中，進行典型輸入電壓、低壓啟動與帶負載情況等試驗，對設計的雙管反激輔助電源進行了實際驗證。EMI濾波然后經過升壓電感功能[5][6]。

2.電路設計

2.1　主回路設計

該輔助電源主電路主要由欠壓啟動電路、輸入保護電路、主電路、高頻變壓器、整流輸出電路、輔助供電電路和采樣反饋電路等七部分組成，如圖2所示。

圖2　輔助電源主電路

2.1.1控制芯片選擇

根據設計要求、母線狀態、工況溫度等綜合考慮，本設計主控芯片選擇使用TI公司生產的UCC38C44芯片。該芯片是電流控制型PWM調制器，采用BiCMOS工藝，具有較低的功率消耗，有效提高工作效率。芯片內部電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控制、溫度補償的參考、高增益誤差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅動功率MOSFET的理想器件。較少的外部電路，能獲得成本效益高的解決方案與可靠性能。芯片提供8腳雙列貼片塑料封裝，可減少PCB布板面積。

2.1.2MOS管的選取

MOSFET是輔助電源核心器件，通過驅動電路的PWM對其進行通斷控制，將母線直流電轉換成高頻脈沖電壓，為了保證工作在最高電壓下D-S之間不被擊穿，考慮設計1.5倍的裕量。此時應有：

根據計算結果，其中Vin為單個MOS管平均電壓，n為原副邊變壓器匝比，Ipk為峰值電流。計算過程中需要考慮，雙管不均衡現象、峰值電流、電壓尖峰等，最后選擇選用IXYS公司生產的型號為IXTF1N450的MOS管，其耐壓為4500V，導通電流為1A。

2.1.3輸出整流二極管選取

當開關管關斷時，副邊電流流過功率二極管，此時Vds承受最大反向壓力。需要考慮三個方面的因素，額定電壓、額定電流、反向恢復時間，考慮設計1.5倍裕量選取整流二極管。

二極管的額定正向電流Iave，一般情況下一個3A的普通二極管在100℃時，輸出電流只有0.4A，本產品采用型號為F10F150S二極管，兩顆串聯，其反向恢復時間為170ns。

2.1.4變壓器計算

在反激電路中變壓器是主要的能量轉換器件，起到電能存儲、變壓變換、原副隔離三重作用。

原邊電感量：

為了改變輸出電壓質量，減少漏感引起的尖峰震蕩與輸出紋波，變壓器采用夾層繞制工藝（三明治繞法）。

2.2　功能電路設計

2.2.1輔助供電電路設計

反激變換器中，輔助供電繞組是給芯片提供穩定電源的作用，為了保證電壓在比較低的狀態下能夠正常啟動，輔助繞組設定電壓要高于芯片的工作電壓，因此需要增加一個線性穩壓電路保證芯片在低電壓情況下的正常供電。如圖3所示：

圖3　輔助穩壓供電電路

輔助電源在芯片啟動之后，輸出建立，輔助繞組開始工作，之后芯片電壓將由該部分電路進行供電。具體工作原理如下：當電容C8兩端有電壓，電壓接近穩壓管D7穩壓值時，由于穩壓管接在Q5基極，輸出電壓升高Q5導通，為C9充電，VCC電壓穩定，達到穩壓的效果。

2.2.2電壓環路設計

次級電壓環路采用穩壓器件TL431作為基準和反饋誤差放大器，采樣輸出，并產生相應的誤差電壓基準源，該誤差電壓通過高壓隔離光耦CNY64轉變成誤差電流，耦合到初級中，進入控制芯片UCC38C44的輸入VFB腳。UCC38C44通過此信號輸入，產生相應的占空比信號來控制功率開關時間。在設計中運用了TL431內部的反饋運算放大器，所以在光耦接UCC38C44時，不使用芯片的內部運放，把誤差輸入接UCC38C44內部運放的輸出端，該設計可以把反饋信號的傳輸時間縮短，使電源的動態響應更快，保證了隨負載變換時輸出電壓穩定[7]。電壓環路原理如圖4所示：

圖4　電壓環路原理圖

2.2.3保護電路設計

該輔助電源給高壓柔性輸電系統核心組件換流閥控制部分供電，在遇到意外事故及惡劣環境條件下，保護電路功能是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。保護電路是否完善并按預定設置工作，對電源裝置的安全性和可靠性至關重要。確保直流開關電源的正常工作，反激輔助電源中母線電壓過壓及欠壓不穩定對電源造成的危害，主要表現在器件因承受的電壓及電流能力，超出正常使用的范圍而損壞，同時因電氣性能指標被破壞而不能滿足要求。

欠壓啟動電路如圖2中區域A所示。圖中母線電壓經過啟動電阻R-S進行分壓后給VCC充電，VCC為芯片供電電壓，D3為穩壓二極管，通過電阻R4、C7、D3控制三極管Q3的B極電壓值，電壓低時Q3三極管導通，芯片不工作，母線電壓抬升，Q3的B極電壓值升高，Q3三極管截止，VCC電容進行充電，芯片可以進入啟動工作狀態。

過壓保護電路如圖2中區域C所示。圖中2PIN為主控芯片電壓保護輸入端，通過分壓電阻R-T與R9進行分壓得到一個采樣值進入控制芯片進行比較計算，R8與R9、Q4組成了一個簡易的帶滯回功能過壓保護電路。

3.實驗結果驗證及分析

根據上述的電路設計方案，制作出320～3600V輸入/220V輸出，額定功率88W雙管反激輔助電源樣機，并進行了自測，驗證設計。產品樣機如圖5所示：

圖5　電壓環路原理圖

實驗使用測量儀器有橫河DLM2024示波器、安捷倫數字表Agilent 34401A、艾德克斯電子負載。實驗驗證輸入電壓與輸入電流、低電壓啟動、上下MOS驅動同步和不同負載等級下輸出技術指標。

（1）驅動輸入端與上下管波形如圖6所示：

CH1通道驅動輸入端波形，CH3通道上管驅動波形，CH4通道下管驅動波形。

圖6　驅動輸入與上下MOS管波形

（2）啟動波形如圖7所示：CH1輸出電壓波形，CH2母線電壓波形，CH3芯片供電腳VCC波形。

圖7　啟動波形

（3）滿負載短路試驗波形如圖8所示：CH1輸出電壓波形，CH2母線電壓波形，CH3芯片供電腳VCC波形。

圖8　滿載短路波形

4.結束語

本產品基于雙管反激電路拓撲，使用UCC28C44控制芯片，給出詳細的電路設計方案，制造樣機，進行詳細測試，驗證了雙管反激輔助電源方案適合寬范圍高電壓輸入場合，圓滿完成了本產品設計的任務。該電源具備結構簡單，可靠性高，輸出穩定等優點，具有良好的市場前景。

[1]Petar J,Grbovi′c.High-voltage auxiliary power supply using seriesconnected mosfets and floating self- driving technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(5):1446-1455.

[2]Torresan H D,Holmes D G.Auxiliary power supplies for high voltage converter systems[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004: 645-651.

[3]劉計龍,楊旭,趙春朋,安昱.用于高壓電力電子裝置的輔助電源的設計[J].電源學報,2012(01).

[4]閆福軍.寬電壓輸入反激式開關電源的研究[D].西安:電子科技大學,2010.

[5]閆福軍,梁永春.一種光伏發電系統中輔助電源設計[J].電力電子技術,2010(08).

[6]Christopher P.Basso.開關電源SPICE仿真與實用設計[M].北京:電子工業出版社,2009.

[7]韓林華,吳迺凌,史小軍,朱為,堵國梁.反激開關電源中基于PC817A與Tl431配合的環路動態補償設計[J].電子工程師,2005(11).