摘要：首先，介紹了基于高頻鏈交流電流母線分布式電源系統(tǒng)的原理，這種系統(tǒng)除具有一般分布式電源系統(tǒng)的優(yōu)點之外，還具有很好的負載擴展特性、較高的電氣隔離特性等優(yōu)點；然后，基于該原理設計了一種能夠提供脈沖寬度不變，幅值可調(diào)的高頻交流電流母線電源；分析了這種電源的工作過程。實驗樣機成功地應用在10kV固態(tài)短路限流器中。

    關鍵詞：分布式電源；高壓隔離；固態(tài)短路限流器

引言

電力電子裝置處理高電壓大容量等級的技術方案主要有以下幾種：

1）采用高容量等級的開關器件或者器件的串并聯(lián)；

2）采用級聯(lián)的多電平變換器技術。

無論采用哪種技術，串接在一個橋臂或級聯(lián)的H橋臂之間的功率管的驅(qū)動電源之間都承受了極高的電壓。為了保證裝置的可靠性，必須確保各路驅(qū)動電源之間有良好的高壓隔離特性。另外，由于處理高壓等級的時候，所使用的開關管一般比較多，因此，獨立隔離驅(qū)動直流電源的數(shù)目比較大。

常規(guī)的多路直流輸出技術都是基于直流母線分布式電源系統(tǒng)[1]，其中的DC/DC變換器數(shù)目多、體積大，而且，當各DC/DC變換器的開關頻率不同的時候，還會發(fā)生拍頻干擾，從而使得輸出電壓出現(xiàn)各頻率紋波。常規(guī)的高壓隔離技術必須要設計出耐高壓的隔離變壓器，高壓隔離的要求給工藝和結(jié)構上都帶來很大困難，而且成本也隨之增加。文獻[2]通過一個多繞組的變壓器，實現(xiàn)了用在三相逆變器4路相互隔離的IGBT驅(qū)動電源。

本文所設計的新型多路輸出高壓隔離電源是基于專利技術[3]，其主要思想就是高頻鏈交流電流分布式電源系統(tǒng)的思想。其一次側(cè)為提供滿脈沖寬度、電流幅值可調(diào)的高頻交流方波電流母線，使其穿過普通環(huán)形變壓器，其二次側(cè)實現(xiàn)能量傳輸和高壓隔離。

1 拓撲結(jié)構

這種基于高頻鏈交流電流母線分布式電源系統(tǒng)的框圖如圖1所示。和直流分布式電源系統(tǒng)[2]一樣，它相對于集中式的電源系統(tǒng)而言，主要有以下幾個優(yōu)點：

1）負載與電網(wǎng)之間、負載與負載之間有較好的電氣隔離性能，隔離可以很容易地做到上萬伏等級；

2）擴展特性好，負載的路數(shù)可以任意地增減；

3）輸出相同路數(shù)隔離的直流電源時，可靠性高、體積小、重量輕，成本也要低很多。

新型多路輸出高壓隔離電源的一次結(jié)構主電路如圖2所示。從圖2不難看出，這種電源主要是由兩級來實現(xiàn)，第一級為Buck DC/DC變換，第二級為全橋逆變。新型多路隔離輸出電源次級的主電路結(jié)構框圖如圖3所示。一次側(cè)交流母線依次穿過所有環(huán)形磁芯，經(jīng)過整流、線性穩(wěn)壓后，成為多路驅(qū)動電源。

2 初級主電路原理

為了減化分析，對初級主電路做以下假設：

1）L1足夠大，也即Buck電路的輸出電流不變，相當于一個恒流源；

2）次級線性穩(wěn)壓很穩(wěn)，也即環(huán)形變壓器的初級電壓可以等效為一個電壓源，設次級線性穩(wěn)壓后的電壓為Vo，則環(huán)形變壓器的原邊等效電壓為Vo/Ns（其中Ns為環(huán)形變壓器副邊匝數(shù)）；

3）所有n個次級負載的特性相同；

4）所有的器件都是理想器件。

初級主電路控制和主要波形如圖4所示。從圖4可以看出其工作主要分以下幾個階段。

圖4 驅(qū)動和逆變器輸出電壓電流波形

1）[0，t1]階段 S2，S3，S4，S5同時導通，D1續(xù)流，等效電路如圖5（a）所示。從圖5(a)不難看出，在理想的情況下，電感的電流將維持不變。

2）[t1，t2]階段 S3及S4關閉，S1，S2，S5導通。電感L1充電。等效電路如圖5（b）所示。由圖5(b)不難得關系式（1），即

3）[t2，t3]階段 S1關閉，S2及S5開通，電感L1放電，等效電路如圖5（c）所示?？梢缘藐P系式（2），即

4）[t3，t4]階段 S2，S3，S4，S5同時導通，D1續(xù)流，等效電路如圖5（d）所示，與圖5（a）過程一樣，這時候，電感電流維持不變。

5）[t4，t5]階段 S1，S4，S3導通，電感L1充電。等效電路如圖5（e）所示。同樣可得關系式（3），即

6）[t5，t6]階段 S4及S3導通，D1續(xù)流，電感L1放電，等效電路如圖5（f）所示。同樣可得關系式（4），即

圖5

從上面的分析可以知，在一個逆變器的開關周期內(nèi)雖然有6種工作狀態(tài)，但是，在后半周期內(nèi)，逆變器的等效負載電壓改變了方向，因此，圖5（d）、(e)、(f)過程分別等效圖5(a)、(b)、(c)。這樣便可得電感的伏秒關系式（5），即

由式（5）得Buck電路的占空比為

令電感L1的平均電流為IL，假設逆變器死區(qū)時間td<<T，則次級變壓器的輸出電流為，在理想無損耗的情況下，可得功率關系式（7），即

Buck變換器輸入電流關系如式（8）所示。

Iin=DIL    （8）

3 次級高壓隔離

一般電源要實現(xiàn)高壓隔離，都必須設計出能實現(xiàn)高壓隔離的變壓器。這種耐高壓的變壓器首先必須保證絕緣強度[4]，另外，在線包結(jié)構工藝，裝配工藝，絕緣處理等諸多方面都有嚴格要求。如果要做到各路輸出之間的高壓隔離，受到材料、溫升、與其它參數(shù)的影響，變壓器體積將會過大，成本很高。如果采用高頻交流電流母線的技術，如圖3所示，原邊只須用一根高壓電纜穿過普通的環(huán)形磁芯（即變壓器原邊匝數(shù)只有一匝)，就可以實現(xiàn)能量的傳輸和高壓隔離，而高壓隔離的等級隨著電纜絕緣水平的升高而提高。因此，這種基于高頻交流母線技術的供電系統(tǒng)就不需要設計專用耐高壓的變壓器。采用交流母線傳輸功率和隔離的方案，由于原邊匝數(shù)只有一匝，激磁電感比較小，如式（9）所示。

為了提高傳輸效率，宜采用磁導率（μr）高，截面積（Ae）大的磁芯。文獻[5]中詳細討論了這種電源傳輸效率和磁芯材料等參數(shù)的關系。

4 仿真研究和實驗研究

為了研究這種基于電流母線技術的DPS供電系統(tǒng)的特性，用PSIM仿真和實驗研究了該供電系統(tǒng)特性。仿真和實驗參數(shù)設置如下：

L1=2.2mH，C1=470μF；

主功率管采用IRF840；

二極管采用MUR860；

二次線性穩(wěn)壓在10V；

環(huán)形變壓器的副邊匝數(shù)Ns=3匝；

Buck電路開關頻率fbuck=200kHz；

全橋逆變器的開關頻率f=100kHz；

電流母線穿過24只磁環(huán)，二次每路的輸出功率為5W。

由上面的式（1）～式（8）可以大概地估計一下電路中的參數(shù)：

IL=1.5A    （10）

D=120/300=0.4    (11)

圖6是逆變器輸出的電壓波形和電流仿真波形。圖7為Buck電路的驅(qū)動實驗波形，從圖7不難看出Buck變換器的占空比近似為0.4。圖8為全橋逆變電路的驅(qū)動實驗波形。圖9為交流母線電流實驗波形。從圖9不難看出電感電流近似為1.5A。

5 結(jié)語

基于高頻交流電流母線技術設計的新型多路直流輸出高壓隔離電源，不僅具有常規(guī)DPS電源的特點，還具有很好的負載擴展特性，最重要的就是它不需要耐高壓的隔離變壓器，因此，這種電源系統(tǒng)可以應用于高壓大功率的驅(qū)動電源中。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在10kV的固態(tài)短路限流器中，現(xiàn)計劃用于3300V交流調(diào)速系統(tǒng)中。