限流器用多输出隔离电源负载谐振模式研究

     摘要：介绍了一种适用于固态限流器的多输出高压隔离谐振式电源，给出了主电路拓扑结构，分析了其工作原理，并用PSpice对其进行了仿真验证，给出了实验结果。 理论分析和实验结果证明，负载谐振模式使负载电流波形接近正弦波，从而使变压器能量传输效率提高了3%，并减小了电磁干扰。

　　1. 引言

　　固态短路限流器应用于电压等级较高的电网(大于10kv)时,需要多只高耐压晶闸管串联使用,因此其主电路是一个典型的需要多路输出驱动电源的高压大功率装置, 并且各路输出之间要求有高压隔离。 高压隔离电源采用电流源交流母线供电的方式,当负载为串联的隔离驱动电源模块时,交流电流母线上的电流波形近似为方波。 但该方波电流的总谐波电流畸变THD 较大,而且方波电流的频率已高达100KHZ。 如果它的3 次、5 次谐波的电流分量过大,高频辐射将会遍布整个固态限流器,从而影响装置其它部分的正常工作。

　　本文给出了多输出隔离电源谐振模式主电路拓扑及其负载等效电路模型, 分析了其工作原理。 仿真和实验证明,谐振模式可改善电流波形,降低电流高频谐波含量。

　　2.谐振模式的分析

　　图1示出固态限流器的晶闸管驱动系统。 该系统的初级是一根流过高频交变电流的电缆线, 穿过n个变压器铁心,次级是高压侧晶闸管驱动模块。 由于初级只采用了一匝线圈, 因此可以承受很高等级的隔离电压，同时具有良好的绝缘性能。

图1 晶闸管驱动系统

　　380V固态限流器试验样机初级流过的是方波电流,由于其谐波含量高,变压器传输效率低, 铁心发热,电磁干扰强,容易导致驱动模块误触发。 针对这一问题, 在负载侧变压器初级并联一个谐振网络LC,使其在方波电流源基频点处发生谐振,谐振时LC 阻抗无穷大,电流全部从负载流过。 因此需要选择合适的LC 参数, 使其对高次频率表现出很低的阻抗值,从而吸收高频谐波成分。

　　将驱动系统近似等效为一个阻性负载, 则泵电源主电路拓扑可简化为图3 所示的等效电路,其中。 是驱动系统等效阻抗。

图2 泵电源主电路及其等效电路

　　主电路分为两级，级BUCK电路通过大电感L1产生一个近乎恒定的电流源(第二级全桥逆变将恒定的电流源变为幅值相等的方波。 该电流用一方波电流源ip表示，便可得到图2b所示的电流源简化等效模型。 图2b中的ip经傅立叶展开得:

　　3.仿真及实验结果

　　为了验证上述分析结果,采用PSpice仿真软件对泵电源主电路进行了仿真分析%结果如图3 所示&波形由上至下分别为ip,ir,il,ic,时间坐标相同。仿真参数如下：直流电源电压300V，开关频率100KHZ，Q=5，负载阻抗50Ω， 谐振电感1509uH,谐振电容159nF,从仿真波形上看%负载电流近似为正弦波,%谐波分量较小。 实验电路即为图2a所示的泵电源主电路,图4 是其控制框图。全桥逆变电路采用开环控制%各开关管占空比均为50%，通过电流采样、PWM 发生以及驱动放大，控制BUCK变换器开关管的占空比，从而控制输出电流的大小。

图3 谐振电流仿真波形

　　由（4）式可知，Q越大，滤波效果越好，但同时谐振电感Lr和谐振电容Cr上电流也越大。考虑到大电流情况下，Lr,Cr不易设计，实际电路取Q=3，谐振网络参数为:L=54uH,C=47nF,R=50Ω。

图4 实验电路控制框图。

　　未加LC 网络与加LC 网络负载电流IR波形如图5所示。 由图可见，增加LC 网络后，IR波形得到改善%近似为正弦波。测试发现%变压器传递效率提高了3个百分点。

图5 实验波形。

　　4.结论

　　将本文所述的多输出高压隔离电源负载谐振模式用于限流器，可改善负载电流波形，降低变压器铁心的发热，提高能量传输效率，减小电磁干扰%增强系统的可靠性。