一種電流快速轉移直流電源的研究

張 敏，余 娟

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

一些工業應用和科研試驗中，常常需要輸出電流大、紋波小、變化快的直流電源。為了使輸出電流大且紋波小，直流電源線路中一般采用大電感濾波，這導致電流快速變化（微秒級）的難度增大，于是引出了電流快速轉移技術。所謂電流快速轉移技術，指利用某些電力電子器件的開關特性，使主輸出支路電流快速轉移到其他支路，從而達到主輸出支路電流快速變化的目的。

1 電流快速轉移的方法

現有的電流快速轉移方法主要有以下幾種。

1.1 基于一次電流轉移的限流器的方法

此法由快速機械開關和PTC電阻并聯組成限流器。限流過程中，電流由快速開關直接轉移至PTC電阻，電壓越高，金屬鎢冷態電阻越小，電流轉移越快；但是，電壓太高會引起滅弧室體積變大，且金屬鎢冷態電阻太小會導致溫度不能快速升高，造成PTC效應不明顯，從而不能達到預定的限流效果。

1.2 基于兩次電流轉移的短路電流限制器的方法

此方法把快速機械開關、GTO開關和限流電阻結合起來，利用機械開關運行損耗小的特性，同時實現短路電流的兩次快速轉移。其缺點是快速機械開關的響應速度慢，斷開時存在飛弧現象，并且沒有解決轉移電流調節問題。

1.3 基于真空觸發開關的快速關合開關的方法

此法是在電路中利用真空觸發開關（Triggered Vacuum Switch，TVS）和快速合閘的真空斷路器（Vacuum Circuit Breaker，簡稱VCB）并聯構成快速關合開關，利用TVS快速關合電流源，同時利用VCB對TVS上的電流進行分流，從而降低TVS中的電流值并減少TVS上的電流導通時間，保證TVS的使用壽命。它的主要缺點是真空斷路器體積大、響應速度慢、轉移電流不能調節。

2 基于IGBT并聯編碼電路的電流快速轉移直流電源

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）具有開關速度高、損耗小、耐壓通流能力強的特點。本文研究一種基于IGBT并聯編碼電路的電流快速轉移直流電源，以大功率IGBT作為快速開關，通過控制IGBT的通斷控制電流快速轉移、調節電流轉移深度以及調節電流轉移寬度。

2.1 直流電源系統的組成

系統由整流變壓器、可控整流電路、濾波電路、快速開關電路以及電流快速轉移編碼電路組成。

2.2 系統主電路的原理

系統主電路的原理如圖1所示。整流變壓器有2組繞組，分別為星形連接和三角形連接，兩組繞組相位相差30°。可控整流電路由12組晶閘管和快速熔斷器組成，一個晶閘管串聯一個快速熔斷器為一組，構成12脈波整流電路[1]。信號傳輸的流程：整流變壓器隔離輸入電源，并提供適宜的電壓；可控整流電路將變壓器輸出的交流信號變成直流信號；經過T型LC濾波電路，輸出紋波小、穩定度高的電流；IGBT0作為快速開關，控制電源通斷；電流快速轉移編碼電路控制輸出電流的轉移和深度[2]。

圖1中，電流快速轉移編碼電路由8條串聯支路并聯組成，每條串聯支路包含一個IGBT串聯一個電阻。每條支路中電阻R的取值應確保發生電流轉換時各個IGBT通過的電流滿足以下要求：IGBT1通過的電流為額定電流的1/2，IGBT2通過的電流為額定電流的1/4，依此類推，IGBT8通過的電流為額定電流的1/256，IGBT9通過的電流也為額定電流的1/256；當編碼控制IGBT1～IGBT9導通時，輸出電流可調節達到總電流的0%～50%，調節精度達到總電流的1/256（約0.4%）。

圖1 直流電源主電路

2.3 系統控制電路的組成

系統中所有的IGBT（IGBT0～IGBT9）都有獨立的控制信號，控制信號由控制電路發出。電源系統控制電路的組成如圖2所示。

圖2 直流電源控制電路

電路采用DSP+CPLD作為控制核心進行計算與處理；采用液晶顯示器顯示電源系統的狀態；控制系統采集來自3個直流電流傳感器和一個電壓傳感器共4路檢測信號；進行電流轉移時，由控制系統為10個IGBT提供控制信號，通過IGBT的導通控制輸出電流的大小；控制系統還具有光纖通信的功能，通過RS485光通信接口與上位機進行通信[3]。

3 結 論

經實踐生產檢驗，基于IGBT并聯編碼電路的電流快速轉移技術相對于傳統的機械開關投切技術，可以避免機械開關在投切過程中的拉弧、噪聲等問題；基于IGBT器件良好的性能，響應速度從幾十毫秒降到了幾十微秒；電流轉移的寬度由程序控制，可從數微秒到數秒之間調節；實現電流快速轉移的同時實現了電流的多級、高精度可調；IGBT的排版采用模塊化設計，所有IGBT裝在一個模塊中，過電壓低、安裝尺寸小，可以實現批量化生產。綜上所述，本直流電源具有電流轉移響應速度快、轉移精度高、電流紋波小等特點，適合在眾多需要電流轉移的場合推廣使用。