1    引言

    電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,。目前,，在電力電子裝置中，在需要隔離電源的地方,，均設(shè)置獨(dú)立的包括原,、副邊電路的整套工作電源，電路復(fù)雜,，效率低,，體積大，成本高,，可靠性低,；有些電力電子裝置使用帶有電壓泵的專用單電源驅(qū)動(dòng)電路，可以省掉復(fù)雜的多路隔離輔助電源,，但由于這種專用電路的局限性,，不能適用于高電壓、大功率和其它有特殊需要的場(chǎng)合,。文獻(xiàn)[1]提出的用于電力電子裝置的多路輸出隔離電源驅(qū)動(dòng)電路,，采用了分布式供電方式，使用一套主電路就可以產(chǎn)生多組彼此隔離的副邊電壓,，和其他形式的電源相比,，在輸出功率和輸出路數(shù)相等的情況下，具有體積小,，重量輕,，效率高，可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn),。而且由于采用具有獨(dú)立磁路的副邊繞組的變壓器,，副邊繞組個(gè)數(shù)也就是輸出隔離電源的路數(shù)的增減非常方便，特別是當(dāng)輸出隔離電源的路數(shù)較多時(shí),，該電源的優(yōu)勢(shì)就更為明顯,。

    文獻(xiàn)[2]提出的三相橋式固態(tài)短路故障限流器，適用于電壓等級(jí)較高的電網(wǎng),電路如圖1所示,，為了增加耐壓等級(jí),，電路中各晶閘管均采用多個(gè)串聯(lián)的形式，增加了隔離輸出路數(shù),，本文將隔離電源應(yīng)用于該限流器中,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電路工作的可靠性,。

圖1    三相橋式固態(tài)短路故障限流器

2    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    多路輸出隔離電源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，它利用一組公用的交流母線,，在主電路需要輔助電源的地方進(jìn)行高頻變壓器隔離變換并經(jīng)整流,，濾波，穩(wěn)壓后變成所需要的直流電壓,。分布式供電方法解決了多路隔離輸出的困難,，并且在實(shí)際電路中它與供電對(duì)象之間可以靠得很近，減小了被干擾的機(jī)會(huì),。隔離變壓器的絕緣電壓也可以做得比較高,，原副邊的分布電容比較小。

圖2    多路輸出驅(qū)動(dòng)電路供電方式

3    工作原理

    驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。虛線框1內(nèi)為整流及線性穩(wěn)壓電路,，虛線框2內(nèi)為具有強(qiáng)觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖3    驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖

3.1    高頻變壓器等效電路

    高頻變壓器等效電路如圖4所示,。其中L_m為變壓器原邊激磁電感,，變壓器變比為1：N，i_s為高頻方波電流源,，V_o為變壓器輸出電壓,，i_o為變壓器輸出電流。由于變壓器原邊繞組只有一匝,，所以有

    L_m=    （1）

    當(dāng)占空比D=0.5時(shí),，變壓器的工作波形如圖5所示。

圖4    變壓器等效電路

圖5    變壓器工作波形 

    [t₀－t₁]階段,，V_o為高電平,，i_L線性上升，其增量為

        Δi_L1=dt=(t₁－t₀)=DT=（2）

    [t₁－t₂]階段,，V_o為低電平,，i_L線性下降，其增量為

        Δi_L2=－Δi_L1=－（3）

輸出電流為

    i_o=（4）

3.2    線性穩(wěn)壓及過(guò)流保護(hù)電路

    由于供電電源是電流源信號(hào),，穩(wěn)壓電路采用了并聯(lián)型線性穩(wěn)壓方式,，電路如圖6所示。R₁起限流作用,，R₂,，R₃，R₄和Z₁組成穩(wěn)壓電路,，Z₁采用TL431精密穩(wěn)壓管,，R₅，V₁和S₁組成過(guò)流保護(hù)電路,，當(dāng)輸入電流過(guò)大時(shí),，V₁導(dǎo)通,，S₁柵極為高電平而導(dǎo)通，從而限制了流過(guò)Z₁的電流,，保護(hù)了后級(jí)電路,。

圖6    線性穩(wěn)壓及過(guò)流保護(hù)電路

3.3    強(qiáng)觸發(fā)電路

    強(qiáng)觸發(fā)電路如圖7所示。當(dāng)輸入下降沿到來(lái)時(shí),，由于電容兩端電壓不能突變，點(diǎn)2電位變?yōu)榈碗娖?，輸出?qiáng)觸發(fā)脈沖,，下降沿結(jié)束后，電容開(kāi)始充電,，點(diǎn)2電位上升,，當(dāng)V₂>V_ref時(shí)，強(qiáng)觸發(fā)結(jié)束,。強(qiáng)觸發(fā)寬度τ按式（5）計(jì)算,。

        τ=－(R₁＋R₂)C₁ln（5）

式中：V_1O為電容開(kāi)始充電時(shí)點(diǎn)1電壓；

      V_1C為比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)點(diǎn)1臨界電壓,。

圖7    強(qiáng)觸發(fā)電路

4    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    采用如圖1所示的三相橋式固態(tài)短路故障限流器,，隔離電源的參數(shù)如下：高頻變壓器工作頻率為100kHz，原邊1匝,，副邊兩路輸出,，分別為3匝和1匝。主路輸出經(jīng)過(guò)整流,，濾波,，穩(wěn)壓后變成所需要的直流電壓。輔路輸出經(jīng)整流,，濾波后變?yōu)樨?fù)電平,，為晶閘管的關(guān)斷提供反向電流，加速關(guān)斷過(guò)程,。圖8為輸入方波電流源波形,。圖9為副邊電流波形。

圖8    方波電流源波形 

圖9    變壓器副邊輸出電流波形

    增大L_m可以降低磁滯損耗,，減小鐵心損耗,，提高變壓器傳輸效率。在鐵心尺寸大小相同的情況下,，由式（1）可知,，選擇相對(duì)磁導(dǎo)率μr較大的鐵心可以增大L_m。非晶鐵心由于具有很高的相對(duì)磁導(dǎo)率,，可以很好地降低鐵心的磁滯損耗,。圖10為非晶和鐵氧體鐵心變壓器的副邊主路輸出電流波形,。由圖10可知，非晶鐵心電流波形的波頭下降率較低,，即Δi_L較小,。

圖10    非晶與鐵氧體副邊主路輸出電流波形比較

    實(shí)測(cè)電流值及電路工作效率等見(jiàn)表1所列。其中L_m為激磁電感,；Δi_L為激磁電感上電流增量,；I_s為原邊電流有效值；I₂₁及I₂₂分別為副邊輸出電流有效值,；η為變壓器轉(zhuǎn)換效率,。由表1可發(fā)現(xiàn)，非晶鐵心雖然具有較大的激磁電感,，但由于非晶鐵心具有很低的電阻率,，在開(kāi)關(guān)頻率較高的情況下，渦流損耗很大,，使得總損耗較鐵氧體高,。由表1還可看出，雖然變壓器繞組匝數(shù)很少,，但由于采用了電流源供電方式,，鐵心仍然具有良好的能量傳遞特性，漏電流較小,。

表1

    圖11及圖12分別為驅(qū)動(dòng)電路輸出Vo及其上升沿展開(kāi)的實(shí)驗(yàn)波形,，波形上升沿大約為1μs，保證了晶閘管的快速導(dǎo)通,，強(qiáng)觸發(fā)寬度為100μs,，保證觸發(fā)的可靠性。在光纖信號(hào)結(jié)束時(shí),，輸出大約－0.8V,，為器件的關(guān)斷提供反向電流，加速關(guān)斷過(guò)程,，保證了關(guān)斷的可靠性,。

圖11    驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出V_o

圖12    上升沿展開(kāi)波形

5    結(jié)語(yǔ)

    本文介紹的多路輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路，采用分布式電流源供電方式,，該方法解決了多路隔離輸出的困難,，并且在實(shí)際電路中可與供電對(duì)象靠得很近，減小了被干擾的機(jī)會(huì),，減少了變壓器繞組匝數(shù),，能量傳遞效率較高。驅(qū)動(dòng)電路輸出具有強(qiáng)觸發(fā),，陡峭的上升沿保證了器件的可靠導(dǎo)通,。該驅(qū)動(dòng)電路還適用于各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng),，中頻電源系統(tǒng)等其它電力電子裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景,。