大功率斬波電源的高頻振蕩分析

初 蕊，陳元初，蔡宇峰，李 超，涂紹平，甘 幸

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大功率斬波電源的高頻振蕩分析

初 蕊，陳元初，蔡宇峰，李 超，涂紹平，甘 幸

（株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南株洲 412001）

大功率斬波等離子弧電源在基于IGBT斬波的超高系統(tǒng)集成頻率下會(huì)產(chǎn)生較大的電壓諧振導(dǎo)致熄弧，解決輸出側(cè)直流電壓高頻振蕩提高輸出電壓特性，是一個(gè)技術(shù)難題。本文以某等離子弧電源項(xiàng)目為基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析，進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。表明精確增加多級(jí)高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問(wèn)題。

斬波電源 高頻振蕩 等離子弧

0 引言

現(xiàn)代煤化工是一種通過(guò)等離子弧高溫使煤炭與工業(yè)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，該系統(tǒng)中等離子弧電源是最關(guān)鍵的部分；等離子弧主要對(duì)電流非常敏感，斬波電源系統(tǒng)需要配置大電感（幾mH到幾十mH）來(lái)限制電流的波動(dòng)，由于大電流電抗器在設(shè)計(jì)制造時(shí)存在較大的分布電容，在斬波電源系統(tǒng)中此分布電容與負(fù)載及線路的寄生電感會(huì)形成高頻振蕩形成反電勢(shì)，此反電勢(shì)也會(huì)造成等離子弧不穩(wěn)定甚至熄滅。本文探討如何解決這個(gè)高頻振蕩問(wèn)題，使系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

1 斬波電源介紹

斬波電源是一種利用IGBT等器件的高頻開(kāi)關(guān)特性將固定的直流電壓轉(zhuǎn)換成可變的直流電壓的一種變換器，有多種主電路形式；本文中的大功率斬波電源的功率單元采用的是一種BUCK電路，單個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)頻率為3 kHz，理想斬波電源的系統(tǒng)原理及輸出電壓如圖1所示。

圖1 斬波電源等效系統(tǒng)原理圖

大功率斬波電源就是利用IGBT的高頻特性設(shè)計(jì)的一種電壓快速響應(yīng)的等離子弧電源，通過(guò)配置大功率電抗器來(lái)提高輸出電流的紋波特性和穩(wěn)流特性。在工程應(yīng)用過(guò)程中，由于大功率電抗器自身存在分布電容，負(fù)載及線路中存在寄生電感，在輸出側(cè)會(huì)形成高頻振蕩過(guò)電壓，實(shí)際的電路如圖2所示，輸出波形如圖3所示。該振蕩電壓可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)器件，更重要的是會(huì)使等離子弧熄滅。

2 高頻振蕩分析

對(duì)大功率斬波電源進(jìn)行簡(jiǎn)化后的高頻振蕩等效電路如圖2所示。其中為大功率平波電抗器4 mH，C為電抗器分布電容約50 nF，為負(fù)載和線路的寄生電感約5mH，R為負(fù)載電阻約0.8 Ω。

系統(tǒng)輸入電壓為幅值E=810 V，頻率=3 kHz，占空比40%的方波電壓，如圖3；其傅里葉展開(kāi)式為：

其中：

為周期（即1/f），為整數(shù)。

由上述計(jì)算可以看到，0為恒定直流分量，公式剩余部分為交流分量；交流分量在分布電容和電感L之間形成串聯(lián)諧振，諧振頻率為：

所以系統(tǒng)諧振為高頻振蕩，特征頻率為基波頻率的整數(shù)倍時(shí)輸出電壓均有不同程度的電壓諧振，交流分量的特征頻率在諧振點(diǎn)時(shí)諧振電壓最高；輸出電壓o為恒定直流分量和各特征頻率下的交流諧振電壓的復(fù)合電壓。

根據(jù)串聯(lián)諧振回路原理，輸出電壓為：

其中X，X分別為對(duì)應(yīng)頻率下的平波電抗器，負(fù)載及線路寄生電感的阻抗；X//C為平波電抗器和分布電容并聯(lián)后的阻抗。采用PSIM軟件對(duì)上述電路進(jìn)行建模仿真分析輸出電壓o的波形，波形圖如圖3所示。

由上述計(jì)算和仿真結(jié)果可以看出，輸出電壓直流分量為324 V，振蕩電壓峰值約為1100 V，最小值約為-410 V，振蕩范圍約為±700 V。該大功率斬波電源的輸出為高頻振蕩，振蕩電壓波動(dòng)范圍大，在輸出側(cè)呈現(xiàn)反電壓；等離子弧負(fù)載在起弧階段（見(jiàn)參考文獻(xiàn)2）對(duì)電壓要求高速響應(yīng)同時(shí)不允許有反電勢(shì)的情況，所以高頻振蕩會(huì)影響等離子弧負(fù)載的正常運(yùn)行。

圖2 大功率斬波電源原理

圖3 系統(tǒng)輸出波形及放大后的波形

3 高頻振蕩改善

以等離子弧做負(fù)載的大功率斬波電源主要是要求輸出電流穩(wěn)定；對(duì)于電壓，要求在起弧過(guò)程中響應(yīng)速度快，并且不能有反電勢(shì)出現(xiàn)，否則會(huì)滅弧。根據(jù)以上原則可以選擇高頻濾波電容，電容值選擇滿足慮除高次振蕩電壓即可，電容值太大會(huì)影響直流電壓的快速響應(yīng)特性。

3.1 濾波電容計(jì)算方法

電容的濾波過(guò)程就是電容的充放電過(guò)程，如圖4所示，在0-1時(shí)間段電容處于充電階段，振蕩電壓峰值被抑制；電容充電過(guò)程如下式：

其中U0為電容的初始電壓，取700 V（振蕩峰值）；Uc取2倍直流分量值（確保諧振時(shí)不產(chǎn)生負(fù)電壓）；R為回路充電電阻，取1 Ω；t= t1- t0≈1×10-7 s。計(jì)算得濾波電容約為80 nF。

同樣在2-3過(guò)程電容處于放電階段，抑制電壓跌落趨勢(shì)使電壓波動(dòng)限制在正電壓范圍以內(nèi)。電容放電過(guò)程如下式：

其中0為電容的初始電壓，取324 V（直流分量）；U確保不產(chǎn)生負(fù)電壓即可，取50 V；R為回路放電電阻（負(fù)載），取0.8 Ω；=3-2≈1×10-7s。計(jì)算得濾波電容約為67 nF。

3.2 仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述計(jì)算，采用PSIM軟件對(duì)大功率斬波電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖5所示，仿真輸出波形如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看到加裝高頻濾波器之后，高頻振蕩電壓的峰值由1100 V降低到625 V，諧振最低電壓由-400 V升高到55 V；仿真結(jié)果與計(jì)算基本相符，也滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

在工程化應(yīng)用中，普通薄膜電容不具備高頻濾波特性，高壓瓷介電容才能有效濾除高頻諧波分量。該等離子弧用大功率斬波電源采用的是單個(gè)6.8 nF的高壓瓷介電容多個(gè)并聯(lián)配置方式，加裝高頻濾波支路前后的波形如圖7和圖8所示，高頻振蕩得到明顯抑制，同時(shí)又不影響輸出電壓的快速響應(yīng)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合對(duì)電路的分布電容和雜散電感精確的建模計(jì)算，精確增加多級(jí)高頻濾波電容即可有效改善高頻諧振問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算仿真和工程應(yīng)用對(duì)比，該方案可行且并確保項(xiàng)目順利投產(chǎn)，本文提出的計(jì)算思路和解決辦法對(duì)大功率高頻電路應(yīng)用有很強(qiáng)的借鑒意義。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

圖6 增加濾波電容前后的輸出電壓波形

圖7 未加高頻濾波的電壓波形

圖8 加裝高頻濾波后電壓波形

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Chu Rui, Chen Yuanchu, Cai Yufeng, Li Chao, Tu Shaoping, Gan Xing

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TN751

A

1003-4862（2019）06-0017-03

2018-12-20

初蕊（1987-）女，工程師。研究方向：變流控制、測(cè)試技術(shù)。E-mail: churui@csrzic.com