穆興華

(黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030)

近年來，隨著高壓靜止無功補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷增加，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的供能技術(shù)提出了更高的要求。然而，由于高壓大功率的特點(diǎn)，在裝置結(jié)構(gòu)、電路參數(shù)與控制方式上出現(xiàn)了一些獨(dú)特的問題［1］。通常情況下，靜止無功補(bǔ)償器的工作電壓很高，導(dǎo)致高低壓間的隔離比較困難，這就需要對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的輔助電源做特殊處理。目前采用的驅(qū)動(dòng)電路供電取能技術(shù)主要有兩種:自供電取能技術(shù)和外供電取能技術(shù)。自供電取能技術(shù)操作起來靈活方便，適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，但高壓母線電流的變化范圍較大，增加了整個(gè)系統(tǒng)的控制難度和復(fù)雜程度，而且會(huì)有暫時(shí)失控的危險(xiǎn)。外供電取能技術(shù)從低壓側(cè)取電，對(duì)供電電源進(jìn)行特殊處理，克服了自供電取能技術(shù)的不足，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性［2－4］?；诖耍瑥耐夤╇娙∧芗夹g(shù)出發(fā)，針對(duì)一次側(cè)電路，提出了一種方波電流源的控制方案，分析了其工作原理，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 基本原理

高壓隔離電源工作原理如圖1所示。

圖1 高壓隔離電源示意圖Fig．1 Schematic diagram of high voltage insulation power supply

在高壓系統(tǒng)中，采用高壓電纜穿過磁環(huán)變壓器，利用高頻電流互感器原理傳送能量，將電流經(jīng)高頻逆變后送入變壓器一次側(cè)，相應(yīng)的二次側(cè)就能感應(yīng)出高頻交變電流，最后通過二次側(cè)的整流、濾波、穩(wěn)壓后對(duì)高壓側(cè)電力電子裝置供電［5］。這種結(jié)構(gòu)使得變壓器的隔離等級(jí)主要取決于高壓電纜的隔離等級(jí)，并且，通過輸出變壓器數(shù)量的增減，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)隔離電源路數(shù)的增減，每個(gè)供能單元的位置，均可根據(jù)其所需要供能的靜止無功補(bǔ)償器的位置就近安排［6］。

低壓側(cè)方波電流源的整體框架如圖2所示。

采用低壓側(cè)外供電的取能方式，利用平均電流控制模式，通過電流閉環(huán)控制策略，輸出一個(gè)恒定的直流電流。將此恒定的直流電流送入全橋逆變電路中，采用開環(huán)控制，對(duì)控制時(shí)序做特殊處理，最后，在輸出端可以得到一個(gè)周期性變化的高頻方波電流。

2 恒流源拓?fù)浞治雠c控制環(huán)路設(shè)計(jì)

恒流源控制環(huán)路原理如圖3所示。

圖3 恒流源控制環(huán)路原理圖Fig．3 Constant current source control circuit principle diagram

主電路由雙Buck電路構(gòu)成，整個(gè)控制電路由控制器、PWM比較器、時(shí)鐘電路和觸發(fā)器組成，采用平均電流控制模式對(duì)整個(gè)環(huán)路進(jìn)行閉環(huán)控制。其中，控制器是由電流采樣網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償網(wǎng)路組成。在主電路中，輸出電流經(jīng)采樣電阻形成的電壓信號(hào)放大后，與參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)并作為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入。然后，將此補(bǔ)償后的控制信號(hào)提供給PWM比較器，由時(shí)鐘電路產(chǎn)生兩路輸出信號(hào)，一路為窄脈沖輸出信號(hào)，為觸發(fā)器提供一個(gè)置位信號(hào)，使觸發(fā)器輸出為高電平;另一路為三角波輸出信號(hào)，為PWM比較器提供一個(gè)比較信號(hào)。當(dāng)時(shí)鐘電路的三角波輸出電壓大于控制信號(hào)的電壓時(shí)，PWM比較器就會(huì)輸出一個(gè)高電平，為觸發(fā)器提供一個(gè)置零信號(hào)，觸發(fā)器輸出低電平，主電路的功率開關(guān)管關(guān)斷。反之，當(dāng)時(shí)鐘電路的三角波輸出電壓小于控制信號(hào)的電壓時(shí)，PWM比較器輸出一個(gè)低電平，主電路的功率開關(guān)管開通。在一個(gè)周期內(nèi)，通過對(duì)輸出電流采樣信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的對(duì)比，來調(diào)整雙Buck變換電路兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓，從而控制恒流源輸出電流的穩(wěn)定性。

3 全橋逆變電路控制策略

由于全橋逆變電路的輸入電源為電流源，與輸入電源為電壓源時(shí)有所不同，要求全橋逆變電路同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)出現(xiàn)關(guān)斷的情況，也就是同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管可以出現(xiàn)直通，因此，需要對(duì)其控制方式進(jìn)行特殊處理。

通常全橋控制芯片的內(nèi)部都會(huì)留有一定的死區(qū)時(shí)間，用來防止同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，如果利用現(xiàn)有的全橋控制芯片設(shè)計(jì)開關(guān)控制時(shí)序，就得需要對(duì)芯片的外圍電路進(jìn)行特殊處理，這就增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，所以針對(duì)電流型全橋逆變電路的特殊性，提出了一種控制方案，其原理如圖4所示。

首先，由多諧振蕩器發(fā)出占空比為50%的矩形脈沖，然后，將此矩形脈沖分成相同的兩路，一路直接作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，通過調(diào)節(jié)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間，改變多諧振蕩器發(fā)出的矩形脈沖寬度;另一路矩形脈沖經(jīng)過反相器反向后，再將此控制信號(hào)作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入，并對(duì)觸發(fā)信號(hào)的寬度進(jìn)行處理，使其與第一路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間相同。最后，將兩路矩形脈沖送入驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行放大和信號(hào)隔離，驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路的四個(gè)開關(guān)管。

4 實(shí)驗(yàn)

方波電流源的實(shí)驗(yàn)條件:輸入直流電壓24 V，恒流源主電路的工作頻率為110 kHz，全橋逆變電路工作頻率為70 kHz，負(fù)載為3 Ω，輸出電流平均值為1 A，頻率為70 kHz的交變方波電流，輸出功率為10 W。

1)方波電流源實(shí)驗(yàn)波形，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形Fig．5 Experimental waveform

從圖5a中可以看到，雙Buck控制電路發(fā)出兩組占空比為25%的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別控制兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，其輸出的電流波形如圖5b所示，電流值為1 A。在圖5c中，可以看到全橋控制電路的PWM波形符合設(shè)計(jì)要求。通過改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)時(shí)間，調(diào)整橋臂的直通時(shí)間，其輸出交變方波電流波形，如圖5d所示，驗(yàn)證了整個(gè)設(shè)計(jì)的可行性。從圖5e中負(fù)載切換時(shí)電流恢復(fù)過程波形可以看到，輸出負(fù)載在36%負(fù)載和滿載之間，以1000.0 mA/μs的斜率、100 Hz的頻率進(jìn)行切換，恢復(fù)時(shí)間約為300 μs，這表明電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較快。

2)恒流源效率測(cè)試，如圖6所示。

圖6 效率曲線Fig．6 Efficiency curve

從圖6中數(shù)據(jù)可以看到，隨著輸出功率的增大，恒流源的效率逐漸升高，當(dāng)輸出負(fù)載為滿載時(shí)，恒流源的效率為95.82%。

6 結(jié)語

針對(duì)高壓側(cè)供能電路的特點(diǎn)，結(jié)合方波電流源在高壓隔離電源中的具體應(yīng)用，提出了一種方波電流源的控制策略。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該控制方法簡(jiǎn)單可靠、合理、可行。

［1］李芙英，朱小梅，紀(jì)昆，等．一種應(yīng)用于高電壓側(cè)測(cè)量系統(tǒng)中電源［J］．高電壓技術(shù)，2002，28(3):46-47．LI Fuying，ZHU Xiaomei，JI Kun，et al．A power source applied to measurement system for high voltage side［J］．High Voltage Engineering，2002，28(3):46-47．

［2］ Lothar Heinemann，Jochen Mast，Guntram Scheible，Thomas Heinzel，Thomas Zuellig．Power Supply for Very High Insulation Requirements in IGBT Gate－ Drives［A］．Thirty－ Third Industry Applications Conference［C］.1998，2:1562-1566．

［3］錢政．有源電子式電流互感器中高壓側(cè)電路的供能方法［J］．高壓電器，2004，40(2):135-138．QIAN Zheng．Power supply for circuit at high voltage side in the active electronic current transformer［J］．High Voltage Apparatus，2004，40(2):135-138．

［4］張英，姚振靜，劉子胥．高壓軟起動(dòng)器觸發(fā)系統(tǒng)的隔離技術(shù)［J］．煤礦機(jī)電，2007(1):91-92．ZHANG Ying，YAO Zhenjing，LIU Zixu．Isolation technology for high voltage soft starter trigger system［J］．Coal Mine Electrical，2007(1):91-92．

［5］ FEI Wanmin，LU Zhengyu，XIA Linghui，et al．High insulation multiple output switch power supply used for driving of IGBTs in medium-high voltage inverter［A］．IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.2003，2:1066-1069．

［6］胡彬，周有慶，鐘選書，等．電子式電流互感器高壓側(cè)電源的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．電氣應(yīng)用.2006，25(5):99-102．HU Bin，ZHOU Youqing，ZHONG Xuanshu，et al．Research and Realization of high voltage power supply of electronic current transformer［J］．Electric Applications．2006，25(5):99-102．