固態開關的多路輸出高壓隔離供能電源研究

方春恩，薛濤，付旭輝，李偉，陳軍平

(1.西華大學 電氣與電子信息學院，成都 610039；2. 成都旭光電子股份有限公司，成都 610500)

0 引 言

近年，能源問題已成為制約中國經濟快速發展的重要因素。世界能源發展的一個大趨勢是朝著發展可再生能源的方向邁進，這是解決我國能源資源分布不平衡，電力供需緊張，實現經濟可持續發展的必然選擇。因而建設高壓直流電網具有重要意義[1-5]。直流電網的電力電子裝置中會串聯多個固態開關器件以增加耐壓能力，因此多路輸出是供能電源的必然要求。同時，各個器件的門極驅動供能電路之間需具備高電壓隔離能力。

國內外學者對串聯固態開關器件的驅動供能問題提出了各種方案，一些常規方案很好的滿足了高電壓隔離的要求，適用于需要隔離輸出路數較少的場合[6-10]。但由于體積和輸出路數的限制，難以滿足固態開關串聯所帶來的需大量隔離供能電源的問題。文獻[11-12]提出了串聯型交流母線思想，引入串聯諧振網絡改善母線電流波形，但當負載發生大幅度變化時對交流母線上的輸出電流影響較大，穩定性不足。文獻[13]中的多路輸出隔離供電系統采用了反激式變換器拓撲，實現了20路輸出，隔離電壓可達30 kV，但因母線僅有一匝穿過取能磁環，采用反激式供電電路會導致母線電流的奇次諧波含量增加。文獻[14]研究了用于IGBT門極驅動的電源，中間級采用了LCL諧振網絡以改善輸出電流波形。其不足之處為取能模塊的電流傳遞效率不高，不適用于驅動電路所需功率較大的場合。

本文在此基礎上，對基于LCL恒流特性的固態開關門極驅動供能電源做了詳細探討和分析，給出了該電源的功能要求和設計方案，進一步發展和完善了這種驅動供能電源。

1 電源系統架構

圖1所示是用于直流斷路器的固態開關門極驅動供能電源的系統架構。該系統主要由以下3個模塊組成：

圖1 多路輸出高壓隔離供能電源Fig.1 Multi-outputs high-voltage isolated power supply

1)AC/DC模塊，包含EMI濾波器、整流橋、功率因數校正電路。該模塊將工頻市電變換為穩定低紋波的直流電壓。

2)DC/AC模塊，包含有全橋逆變器、LCL-T諧振網絡。該模塊將前級輸出的直流電壓轉換為高頻交變恒流源，同時實現開關器件的軟開關以減小損耗、提高效率。

3)高壓隔離和供能模塊，包含高頻電流母線、取能磁環、整流濾波穩壓電路和光纖隔離。取能磁環從高頻交變恒流源母線上拾取功率，實現電壓隔離和多路輸出；整流濾波和穩壓電路將取能磁環輸出的高頻電流變換為5V穩壓電源供門極驅動電路使用；再結合來自光纖隔離的控制信號驅動固態開關器件。

該電源具有以下優點：

1)高電壓隔離性能。母線電纜和取能磁環起到傳遞功率和實現高壓隔離的作用。

2)可靠性高。級數少，硬件和控制電路簡單。

3)零電壓開通。通過LCL-T諧振網絡參數的合理設計，使全橋逆變器的開關器件實現零電壓開通(ZVS)，降低開關損耗。

4)母線電流恒定。采用LCL-T諧振網絡，使母線電流與負載無關，即便后級的取能模塊出現短路故障，也不會產生過大的短路電流，該電路具備抗短路特性。

5)擴展性好。由于使用磁環從電流母線拾取功率，因此各個后級模塊位置可任意布置，后級模塊的數量也易于增減。

2 拓撲和原理分析

2.1 電路拓撲工作過程

全橋LCL-T諧振電路拓撲如圖2所示。諧振網絡由電感Lr、Lk和電容Cr組成。直流電壓經全橋逆變器后得到高頻方波電壓并輸入到諧振網絡，經諧振網絡后輸出有效值恒定的正弦電流。諧振網絡輸出電流再經高頻變壓器TX轉換后輸出到電流母線，取能磁環從電流母線上拾取功率從而實現多輸出與電氣隔離，最后通過穩壓電路得到直流電壓。

圖2 電路拓撲Fig.2 Topology of circuit

LCL-T諧振網絡工作在諧振點時，LCL諧振變換器的工作波形如圖3所示，此時開關管門極控制信號占空比接近0.5。

圖3 全橋型LCL-T諧振變換器工作波形Fig.3 Waveforms of LCL resonant converter

1)t0≤t

2)t1≤t

3)t2≤t

4)t3≤t階段。下半周期波形與上半周期工作波形同理，不再贅述。

在樣機電路設計過程中，逆變器的開關管在交替導通和關斷時需要考慮一個合理的死區時間。死區時間太小不能實現開關管零電壓導通，開關管的開關損耗會增加，而且容易出現上下橋臂的開關器件直通現象。而死區時間太大，雖然全橋逆變器能夠安全的工作，但會使得逆變器的輸出性能降低。

2.2 LCL-T諧振變換器原理

運用交流分析法[15-17]，由諧振電感和電容組成的諧振網絡等效電路如圖4所示，諧振變換器后級的多路輸出整流濾波和負載電阻使用等效負載Rac替代。假設從輸入到輸出的功率傳遞僅由基波分量作用，忽略諧波的影響[18]，則全橋逆變器輸出方波電壓使用正弦基波分量替代，其有效值為U1，計算表達式如下：

圖4 諧振變換器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of resonant converter

(1)

式中：n1為高頻變壓器TX的原邊與副邊繞組匝比；n2為取能磁環原邊與副邊繞組匝比；N為電流母線穿過的取能磁環個數；Uin為輸入電壓幅值。

定義諧振網絡的特征阻抗和品質因數分別為：

(2)

每個單路輸出的電流增益和電壓增益定義為

(3)

式中Iout為每路輸出的電流。

電流和電壓增益可表示為：

(4)

(5)

當ωn=1時,電流增益為

(6)

由式(6)可知電流增益與負載大小無關。圖5為變換器電流增益曲線。當工作在γ=1和ωn=1的諧振點時，LCL-T諧振變換器的輸出電流與負載無關。

圖5 變換器電流增益曲線Fig.5 Current gain curves of the converter

設計運用LCL-T諧振變換器恒流特性，使變換器工作在ωn=1的諧振點處，則諧振電感Lr上的電流為

(7)

設基波電壓u1的初始相角為0°，即逆變器輸出端的電壓相角δv=0°，則輸出端的電壓與電流相位關系為

(8)

(9)

當γ<1，即Lk略小于Lr時，逆變器輸出電壓相位超前于電流相位，逆變器的開關管內部反并聯續流二極管在每個周期時先于開關管導通，從而實現開關管的零電壓導通(ZVS)，降低開關損耗。

2.3 LCL-T諧振網絡優化分析

LCL-T諧振網絡中磁性元件會占據電源系統的一定體積，而磁性元件的功率處理能力與其體積大小有關。為了實現電源的小型化，在滿足一定功率處理能力的條件下使諧振電路中磁性元件體積盡可能小，需要對磁性元件進行優化設計。因此，將LCL-T諧振網絡中元件工作時的總視在功率與有功功率的比值(kVA/kW)作為衡量諧振電路物理尺寸的指標。

對LCL-T諧振網絡進行優化分析時，假設諧振網絡輸出端的高頻變壓器TX和取能磁環的匝比都為1，同時電流母線穿過的磁環數量N也為1。定義以下基本量：

(10)

當ωn=1和γ=1時，可推導出諧振網絡電壓增益、電流增益，以及諧振電感、電容兩端電壓與電流的標準化表達式如下：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

由式(11)～式(17)可得(kVA/kW)的表達式

(18)

作式(18)的曲線如圖6所示。當ωn=1和γ=1時，可知存在一個極值點Qext，使(kVA/kW)的值最小，計算可得Qext=8/π2。這個品質因數點對諧振網絡的設計具有重要意義，滿載時盡可能使Q接近于Qext，可優化磁性元件的體積。

圖6 功率比值與品質因數的關系Fig.6 (kVA/kW) rating as a function of Q

3 樣機設計

針對固態開關門極驅動要求，在滿足隔離電壓等級為10～35 kV的條件下，對基于LCL-T恒流特性的固態開關門極驅動供能電源進行設計。

3.1 LCL-T諧振網絡參數設計

根據式(4)可知，將LCL-T諧振變換器作為恒流源使用時，需使ωn=1和γ=1。為兼顧諧振變換器的效率、體積和恒流特性，參數設計中滿載時取Q=8/π2，同時需考慮高頻變壓器匝比n1和取能磁環匝比n2及取能磁環數量N，計算可得

(19)

由全波整流可知多路隔離模塊輸出電流為

(20)

由式(19)和式(20)可得：

(21)

(22)

由式(22)可得諧振網絡中的電感與電容值分別為：

(23)

為使全橋逆變器開關管實現零電壓導通，應當使電感Lk的電感量小于Lr的電感量(即γ<1)，但γ的取值不能太小，γ太小會導致3次諧波電流激增。諧振電容的選取應符合耐壓要求且本身無感的聚丙烯電容，其具有良好的頻率特性，安全可靠。

3.2 磁性元件的設計

在整個電源系統的設計中，磁性元件好壞對電路的正常工作和各項性能指標起到至關重要的作用，磁心元件的設計是一個尋求最優體積與損耗的過程，從而制作出符合電源系統要求的磁性元件。

1)諧振電感設計。

電感設計時需考慮電感量、電感兩端電壓、工作磁通密度、頻率和溫升等因素[19-20]。根據技術指標采用面積乘積法對諧振電感進行設計，磁心的伏安能力與其面積乘積的關系可表示為

(24)

式中：Pt為電感的視在功率；Kf為波形系數；Ku為窗口利用系數；BAC為工作磁通密度；f為工作頻率；J為繞組中電流密度。設計方案中選用TDK公司的PC40材質EE35磁心，該磁心材料具有相對磁導率適合、損耗系數低、良好的溫度特性等優點，普遍應用于開關電源領域。

2)變壓器設計。

變壓器的設計包括隔離變壓器TX和取能磁環。變壓器TX的設計同樣采用面積乘積法，選用TDK公司的EE40鐵氧體磁心。變壓器TX不僅起到電壓隔離的作用，還可調節諧振網絡輸出電流。

取能磁環的設計是關鍵，圖7為取能磁環示意圖。取能磁環的設計類似于電流變壓器，采用環形磁心，由一條高壓電纜穿過取能磁環，磁環的副邊均勻繞制幾匝。該方式對磁心的選擇有一定要求，磁心材料需具備高磁導率、低磁心損耗、一定的功率處理能力、低溫升等。

圖7 取能磁環示意圖Fig.7 Diagram of magnetic ring for picking up power

對于原邊僅有一匝的磁環，原邊勵磁電感為

(25)

式中：μ0為真空磁導率；μ為相對磁導率；S為磁心截面積；λ為磁心疊片系數；l為平均磁路長度。

較低的磁導率會使取能磁環原邊勵磁電感較小，從而導致原邊勵磁電感對母線電流的分流作用增強，降低取能磁環效率。

鐵基納米晶材料具有較高的磁導率和飽和磁感應強度，相比于使用鐵氧體磁心，其有利于提高效率和縮小磁心體積。因此，選用鐵基納米晶材料作為取能磁環的磁心材料。

3.3 高壓隔離與取能模塊

供能電源的高壓隔離方法區別于傳統隔離方法。通過取能磁環在電流母線拾取功率從而為多個驅動模塊提供驅動功率，其電壓隔離能力取決于母線電纜外絕緣層的絕緣能力[21]。

由于取能磁環從電流母線取出的是交變電流，傳統的電壓型穩壓電路不再適用，因此采用電流輸入型線性穩壓電路方案。高頻交變電流經過整流、濾波和穩壓變換為一路隔離驅動電源，電流輸入型穩壓電路原理如圖8所示。R1起限流作用，由TL431和電阻構成穩壓電路，R5、Q和MOSFET組成旁路電路，當輸出電壓超過穩壓值時，TL431使Q導通，進而使M導通，起旁路電流的作用，使輸出電壓降低。當輸出電壓小于穩壓值后，M關斷，輸入電流為電容Co充電，輸出電壓上升。如此循環，最終起穩定輸出電壓的作用。該電路結構簡單、性能可靠。

圖8 線性穩壓原理圖Fig.8 Linear voltage regulator circuit

4 實驗結果

為驗證提出的多路輸出高壓隔離驅動供能電源方案有效性，試制了一臺具備12路輸出、工作頻率為40 kHz，輸入電壓Uin=120 V，每路輸出電壓uout=5 V、每路額定輸出功率Pout=5 W的實驗樣機。系統主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數

圖9為根據設計要求搭建的電源實驗平臺，可以看出該多路輸出高壓隔離供能電源具有結構簡單、擴展性良好等特點。

圖9 電源系統實驗平臺Fig.9 Test bench for the power supply system

圖10(a)、圖10(b)為工作在諧振頻率點時，全橋逆變器輸出的電壓和電流波形。可知電流相位滯后于電壓相位，從而實現開關管的零電壓導通。

圖10 逆變器輸出端電壓電流波形Fig.10 Output voltage and current of the inverter

圖11為逆變器輸出端電壓和諧振網絡輸出電流(即流過電感Lk的電流)，電流峰值與理論計算相符合，為3 A。

圖11 逆變器輸出端電壓和諧振網絡輸出電流波形Fig.11 Output voltage of the inverter and output current of LCL-T resonant tank

圖12為多路輸出時諧振網絡的諧振電容Cr兩端電壓波形，其具有良好的正弦性。

圖12 多路輸出時諧振電容電壓Fig.12 Resonant capacitor voltage at full load

圖13是單路和多路輸出時的母線電流波形，諧振網絡的電流經匝比為5的高頻變壓器TX轉換后輸出到高壓母線電纜。從波形可知多路輸出時母線電流僅發生輕微畸變，母線電流峰值為15 A。

圖13 母線電流波形Fig.13 Current on the bus

圖14為輕載、半載和滿載時的母線電流諧波分析，其中3次諧波含量最高，在不同負載情況下，母線電流總諧波畸變率均低于7%。

圖14 母線電流諧波分析Fig.14 Harmonic analysis of bus current

圖15為母線上取能模塊的磁環副邊電壓和電流波形。圖16是線性穩壓電路輸出電壓uout及其紋波波形，該模塊能夠穩定的輸出5 V，且紋波峰-峰值Δuout約為30 mV，輸出電壓紋波系數低于1%。

圖15 電壓電流波形Fig.15 Waveform of voltage and current

圖16 輸出電壓和紋波Fig.16 Output voltage and ripple

圖17為試驗樣機效率曲線，在額定輸出功率下，樣機的最高效率可以達到81.3%。

圖17 效率曲線Fig.17 Efficiency of the prototype with different loads

5 結 論

本文提出一種為固態開關門極驅動電路供電的多路輸出高壓隔離電源方案。采用LCL-T諧振網絡獲得高頻交變恒流源，后級運用磁環從電流母線取能的方式實現高電壓隔離和多路輸出。該樣機可實現零電壓導通，通過對品質因數Q的計算和尋優，可更有效的設計樣機中的磁心元件。

該供能電源具有許多優勢：控制電路簡單，即LCL-T諧振網絡參數確定后，無需反饋控制即可實現恒流輸出；適用性好，后級取能模塊數量易實現增減，且取能模塊的位置可任意排布，電流母線可穿行到任何需要供能電源的地方；性能可靠，該樣機采用LCL-T諧振網絡使電流母線具備抗短路能力，并能保持母線電流恒定，且各個組成模塊簡單、可靠。通過理論分析與實驗驗證該電源方案可行性，其能夠良好的應用于需要多路輸出的高壓隔離場合，隨著高壓直流輸電系統的發展，該類電源應用前景可觀。