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，其二次側實現(xiàn)能量傳輸和高壓隔離,。

　　1 拓撲結構

　　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構框圖如圖3所示,。一次側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,。

　　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

　　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<

　　Buck變換器輸入電流關系如式（8）所示,。

　　Iin=DIL　?。?）

　　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　?。?0）

　　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,。