趙秋山，趙梁博，張?zhí)┓?，?偉

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.北京空間機電研究所，北京100094)

大功率高壓電力電子器件多路驅動器

趙秋山1，趙梁博2，張?zhí)┓?，張 偉1

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.北京空間機電研究所，北京100094)

針對高壓控制系統(tǒng)中大功率電力電子器件不同驅動電路存在的問題，提出了一種全新的大功率高壓電力電子器件多路驅動器設計方案，包括工作原理、硬件結構和控制方案。利用單端反激電路產生脈沖大電流，多個高頻電流互感器傳遞脈沖電流，實現(xiàn)隔離高壓和高壓驅動電路之間的隔離，成功地解決了低成本隔離問題及驅動電路可靠性問題。試驗結果表明，該方案能安全可靠地控制串并聯(lián)大功率電力電子器件的導通和關斷。

高壓驅動電路；多路驅動器；大功率電力電子器件；單端反激電路

自1957年世界上第一個硅晶閘管(Silicon Thyristor)在美國通用電氣(GE)公司誕生以來,電力電子技術開始步入強電領域，一個電力電子技術的新時代由此開始，之后電力電子器件迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了普通晶閘管(俗稱可控硅、SCR)、門極關斷晶閘管 (GTO)、電力晶體管 (GTR)、電力MOS場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門極換向晶閘管(IGCT)及其不同的派生器件等，這些器件不僅用于一般的工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等。90年代以來，電力電子器件在大功率化、高頻率化和智能化等方面取得了很大的進展，為其在高壓、超高壓控制領域、特大功率領域的應用打下良好基礎[1－3]。

目前，由于大功率電力電子器件的材料和制造工藝的限制，在許多高壓控制系統(tǒng)場合往往需要多只大功率電力電子器件的串并聯(lián)。有時為了節(jié)約成本，也采用低耐壓、小電流的電力電子器件串并聯(lián)替代大功率高耐壓、大電流的電力電子器件，而每個串并聯(lián)的電力電子器件需要獨立的高低壓隔離的驅動電路。在高壓控制系統(tǒng)中大功率電力電子器件驅動電路常用的觸發(fā)方式有間接光觸發(fā)方式、直接光觸發(fā)方式和脈沖變壓器觸發(fā)方式[4－6]。

本文所設計的大功率高壓電力電子器件從總體思路上采用脈沖變壓器觸發(fā)方式，但又突破了其控制思想，采用高頻脈沖變壓器、高壓絕緣線和高頻電流互感器傳遞能量，實現(xiàn)高壓多路驅動，它不僅能解決高低壓隔離的問題，同時解決了多路高壓驅動電路之間的隔離問題，還能夠大大縮小高壓驅動電路的體積，節(jié)約成本。更重要是它提高了驅動電路的可靠性。其優(yōu)越性能是其它幾種驅動電路不可比擬的。這種大功率高壓電力電子器件多路驅動電子器可以適用于不同的大功率電力電子器件，從而對其在高壓控制系統(tǒng)中的應用產生積極的影響。

1 大功率高壓電力電子器件不同驅動電路的比較

1.1 大功率高壓電力電子器件驅動電路的要求

在高壓控制系統(tǒng)中，經常會出現(xiàn)大功率高壓電力電子器件的串并聯(lián)，以滿足實際的高耐壓和大電流的要求，因此高壓控制系統(tǒng)的驅動電路存在以下幾點要求，以電力半導體串聯(lián)解決高耐壓為例進行說明：

(1)由于高壓電力半導體器件的驅動系統(tǒng)連接了處于高電位的半導體器件和處于低電位的控制系統(tǒng)，因此必須實現(xiàn)高、低電位的隔離；

(2)由于高壓電力半導體器件的觸發(fā)脈沖是加在控制極和陰極之間，所以同一串聯(lián)臂中的電力半導體器件電位不相同，因此必須保證串聯(lián)電力半導體器件驅動電路之間要相互隔離，臂與臂之間的驅動電路要相互隔離；

(3)為了保證串聯(lián)半導體器件的可靠導通，要求驅動電路提供一個有足夠大幅值和脈沖前沿陡度的觸發(fā)電流；

(4)為了實現(xiàn)串聯(lián)半導體器件導通的同時性，同一臂中多個半導體器件驅動電路產生的驅動脈沖應具有較好的一致性和同時性；

(5)在未接到控制系統(tǒng)的觸發(fā)命令時，應保證電力半導體器件不會誤觸發(fā)。在正常觸發(fā)時間段內，要求控制系統(tǒng)具有電流非正常過零重觸發(fā)功能。即要求系統(tǒng)具備較強的抗電磁干擾能力。

1.2 大功率高壓電力電子器件不同驅動電路的比較

目前常用的大功率高壓電力電子器件的驅動電路有：間接光觸發(fā)方式、直接光觸發(fā)方式和脈沖變壓器觸發(fā)方式，下面以晶閘管閥為例進行說明[7－8]：

(1)間接光觸發(fā)方式

間接光觸發(fā)系統(tǒng)的工作原理是：低壓側的觸發(fā)脈沖信號首先經過電—光轉換裝置轉換為光脈沖信號；光脈沖信號通過低功耗光纖傳輸到安裝在晶閘管組件上的光—電脈沖變換器；光—電脈沖變換器輸出的脈沖再經過功率放大最后施加到晶閘管單元的門極上，使晶閘管單元觸發(fā)導通。整個觸發(fā)信號傳輸過程實際上是一個電—光再到光—電信號轉換過程。

間接式光觸發(fā)的突出優(yōu)點是：光纖優(yōu)異絕緣性能可以降低絕緣成本、隔離高壓側對低壓側的電磁干擾，同時可以保證觸發(fā)波形的強度、陡度一致性等。其缺點是：每個晶閘管單元上都需增加高位觸發(fā)取能電路和光—電轉化電路，大大增加了系統(tǒng)的復雜性和調試難度，且占用空間比較大，對于較低電壓等級、小容量應用時造價太高。

(2)直接光觸發(fā)方式

在直接光觸發(fā)系統(tǒng)中，晶閘管元件可直接用一定波長、一定能量強度的光脈沖觸發(fā)導通，電觸發(fā)脈沖轉變?yōu)楣饷}沖后，經過光纖傳遞直接作用于晶閘管元件門極，省去了高電位上的觸發(fā)取能電路和光—電信號轉化電路，觸發(fā)可靠性優(yōu)異。雖然直接光觸發(fā)系統(tǒng)將是未來的發(fā)展趨勢。但是，由于光控晶閘管是從元件級提升控制水平的。就目前國內的制造水平，這種方式只是一種前瞻，不具備工業(yè)應用基礎。采用進口元件，由于價格非常昂貴，因此限制了其大范圍的使用。

(3)脈沖變壓器觸發(fā)方式

脈沖變壓器觸發(fā)方式是觸發(fā)脈沖信號經光纖送給觸發(fā)脈沖功率放大環(huán)節(jié)，產生大功率高頻脈沖電流，通過脈沖變壓器的磁耦合分配給各驅動單元，完成觸發(fā)脈沖的隔離傳送和功率放大。

脈沖變壓器觸發(fā)方式的優(yōu)點是：在較低電壓等級小容量應用中，因其結構相對簡單、所需元件較少，不失為一種經濟實用的觸發(fā)脈沖傳遞方法。其缺點主要是：在更高電壓、更大容量應用中，脈沖變壓器的設計難度和絕緣問題更加突出。

通過比較上述不同驅動電路優(yōu)缺點，本文提出了大功率高壓電力電子器件多路驅動器設計方案，從思路上采用脈沖變壓器觸發(fā)方式，但又突破了脈沖變壓器觸發(fā)方式的缺點限制，采用脈沖變壓器、高壓絕緣線和高頻電流互感器結合的方式，電流信號觸發(fā)電力電子器件，克服了當電壓等級很高時，脈沖變壓器設計難的要求，反而保留了其結構簡單，外圍元器件少的特點。與間接觸發(fā)光觸發(fā)方式和直接光觸發(fā)方式相比，可靠性高，具有造價低，占用空間小等特點。

2 大功率高壓電力電子器件多路驅動器的設計

本文所設計的高壓隔離多路低壓直流電源主要由主回路、控制回路、高低壓隔離電路和高壓驅動電路四部分組成，其中主回路是典型的單端反激電路；控制回路是由控制器UC3842組成的單閉環(huán)控制系統(tǒng)；高低壓隔離電路采用高壓絕緣線和高頻電流互感器實現(xiàn)；高壓驅動電路由整流和誤觸發(fā)電路組成。

2.1 主回路

主回路采用典型的單端反激電路，其原理如圖1所示，繞組W3為輔助繞組，為控制電路提供15 V電源。為了提高驅動電路的可靠性，單端反激電路工作于電流連續(xù)模式。主回路供電采用220 V交流市電，變壓器的功率設計為60 W，工作頻率為50 kHz，變壓器副邊輸出2 V的低電壓、30 A的大電流，占空比為0.4～0.5。其中變壓器T為高頻變壓器，采用EI40鐵氧體磁芯和骨架繞制，原邊繞組77匝；副邊繞組1匝，輔助繞組2匝，變壓器原邊電感量為3.9 mH。變壓器采用原邊1/2→副邊→原邊1/2→輔助繞組的繞制工藝，目的是增加變壓器原副邊線圈的耦合，減小變壓器漏感。

2.2 控制回路

控制回路采用美國Unitrode公司生產的高性能單端輸出式電流控制型脈寬調制器芯片UC3842，UC3842是一種8引腳的具有代表性的高性價比的電流型定頻PWM控制器，它具有外接元件少接線簡單，可靠性高成本低等特點[9]，UC3842內部集成了可微調的精密帶隙基準電源，欠電壓鎖定電路，高頻振蕩電路，低阻抗誤差放大電路，電流檢測比較電路、PWM鎖存器及大電流圖柱式輸出電路。

本文設計的控制回路電路如圖1所示，采用單閉環(huán)電流反饋控制系統(tǒng)，控制變壓器初級電感中的電流峰值，也即變壓器副邊輸出的最大電流。輔助繞組W3為控制器UC3842提供電源電壓，保證控制器的正常工作。振蕩器的震蕩頻率設定由定時電阻和定時電容決定，整個電路由開關S控制。

圖1 完整控制電路圖

2.3 高低壓隔離電路

高低壓隔離電路采用脈沖變壓器、高壓絕緣線和高頻電流互感器實現(xiàn)，從主回路副邊輸出的脈動大電流通過高壓絕緣線、高頻電流互感器，實現(xiàn)將低壓的能量傳遞給高壓供電電路，具體電路如圖1所示。其中高頻電流互感器的規(guī)格為穿心式高頻電流互感器，要求能夠通過足夠高頻率的脈沖電流，同時根據不同的電壓等級要求，還要求足夠高的耐壓，高耐壓可通過增加穿心電流互感器的中心孔徑，即增加原副邊的空氣絕緣距離實現(xiàn)。高頻電流互感器原邊采用高壓絕緣線單匝從中心孔穿過電流互感器。多路相互隔離的驅動電路是通過高壓絕緣線穿過多個高頻電流互感器實現(xiàn)的。本文設計的大功率高壓電力電子器件多路驅動器變壓器副邊可帶5～10組高頻電流互感器。即每個電路有5～10路高壓隔離驅動單元。

2.4 高壓驅動電路

高壓驅動電路(高壓驅動單元)是由整流電路、誤觸發(fā)電路和限流保護電路組成，其中Z1～Z4為3 V穩(wěn)壓管，防止大功率電力電子器件誤觸發(fā)；R11～R14為限流電阻。

3 應用實例及效果

試驗條件：用低壓單相無功補償電路模擬高壓無功補償電路如圖2所示。試驗電路主要包括：低壓供電，閥體與高壓大功率電力電子器件多路驅動器等。其中低壓供電采用220 V交流市電，晶閘管采用6 500 V、500 A的晶閘管三個串聯(lián)，主回路電流為15 A。

試驗波形：大功率高壓電力電子器件多路驅動器的輸出波形，圖3為主回路未通電時驅動電路帶晶閘管負載時的驅動電壓和驅動電流波形；圖4為主回路導通瞬間晶閘管的驅動電壓和驅動電流波形。其中橫軸為時間軸10 μs/格；CH1通道為電壓波形1.0 V/格；CH2通道為電流波形100 mV/格，取樣電阻0.82 Ω。

圖2 仿真實驗電路

圖3 晶閘管觸發(fā)導通前驅動電路波形

實驗結論：通過試驗表明大功率高壓電力電子多路驅動器可以實現(xiàn)串聯(lián)晶閘管導通的同時性要求。而高低壓電路隔離主要通過高壓絕緣線和耐高壓的高頻電流互感器實現(xiàn)，同時為了加強絕緣性，在高壓側附近使高壓絕緣線穿過高耐壓的環(huán)氧聚酯管，再由環(huán)氧聚酯管通過高頻電流互感器實現(xiàn)加強絕緣。

目前，由于大功率電力電子器件在10 kV以上高壓電網控制系統(tǒng)中的廣泛應用，大功率高壓電力電子器件多路驅動器應運而生，該驅動器系統(tǒng)配合CPU控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)準確、快速、可靠地控制高壓大功率電力電子器件的導通與關斷。這種控制方案可以廣泛應用在電力系統(tǒng)、高壓整流裝置、軋鋼廠無功補償系統(tǒng)等大功率高壓電力電子器件串聯(lián)的場合。

4 結束語

通過大功率高壓電力電子器件多路驅動器的設計，突破了傳統(tǒng)控制策略，提高了高壓驅動控制技術的可靠性和快速性，有效地降低成本，拓寬了其應用范圍，促進了大功率高壓電力電子器件驅動控制技術的發(fā)展，對現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展有著積極的意義。

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圖6 參數響應曲線

4 仿真與測試

按照電池模型在Matlab的仿真工具Simulink中搭建電路仿真，如圖7所示。

圖7 電路仿真圖

電池的開路電壓采用查表的方式進行充放電的實驗。其中OCV-SOC的關系式采用5次多項式為：

將在線和離線測得參數放入搭建的仿真圖中去仿真，在溫度20℃、放電13 A時的仿真電壓與真實電壓對比結果如表2所示。兩種方法的電池外在特性和實際電池的外特性近似程度較高。

表2 外在特性對比

5 小結

在線參數辨識通過不同溫度、不同電流倍率和不同的SOC下的脈沖充放電實驗進行，通過對靜置回彈曲線進行二階指數擬合，獲取模型參數。通過離線辨識方法，可以得到隨溫度、電流倍率和SOC變化的模型參數。兩種方法的電池模型外在特性都較好。得到電池模型及其相關參數后可將其應用在電動汽車仿真軟件ADVISOR2002中[4]，替換原有電池模型以適應仿真需求。準確的電路模型參數也為電池SOC的精確估計打下良好的基礎[5]。

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High voltage power electronic devices multiplex driver

The problems of power electronic devices driving circuits were analyzed in high voltage system.A new method to high voltage power electronic devices multiplex driver was proposed,including working principle,hardware structure and control scheme.Single-end flyback circuit which produced big pulse current and multiple HF current transformers were used to transfer pulse current,the insulating of the high voltage and the isolating between high voltage driving circuits were achieved.The problem of low cost insulation and the reliable of driving circuit were solved preferably.Experiments show that the method can contain turn on and off of series parallel power electronic devices more safety and reliability.

high voltage driver circuit;multiplex driver;high power electronic device;single-end flyback circuit

TM 46

A

1002-087X(2016)12-2457-04

2016-05-06

趙秋山(1983—)，男，天津市人，工程師，主要研究方向為電力電子技術、星載電源控制器。