基于PWM的高壓直流電源設(shè)計

王歸新 郭航彪 方 理

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

近幾年采用開關(guān)電源技術(shù)的高壓電源研究較多，尤其是中小功率場合.常見的開關(guān)電源型高壓直流電源，主要由整流濾波、高頻諧振逆變、倍壓整流3部分組成.隨著新的電子元器件、新的電磁材料、新的電源變換技術(shù)、新的控制理論及新的專業(yè)軟件的不斷涌現(xiàn)，并不斷被應(yīng)用于開關(guān)電源，使得高壓開關(guān)電源的性能不斷提高，特點不斷更新，出現(xiàn)了如頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性［1］.但伴隨著先進技術(shù)的逐步應(yīng)用，新的技術(shù)難題也隨之而來，首先必須解決的是高壓高頻變壓器的設(shè)計.

針對現(xiàn)有的高壓直流電源技術(shù)以及存在的問題，本文通過將現(xiàn)有的電路有效組合，設(shè)計了一種新型高壓直流電源，即基于PWM交流變換和12脈波整流的高壓直流電源.

1 高壓直流電源設(shè)計

傳統(tǒng)的相控整流電源諧波電流較大，功率因數(shù)低，多電平電壓型PWM整流電源開關(guān)數(shù)量多、控制復(fù)雜、應(yīng)用技術(shù)不成熟，高壓開關(guān)電源的高頻升壓變壓器設(shè)計等難題尚未解決，因此本文將PWM交流變換電路和12脈波整流電路有機結(jié)合，設(shè)計了一個兼具兩個電路優(yōu)點的高壓直流電源系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示.該電源系統(tǒng)使用工頻升壓移相變壓器和不可控整流橋組成的12脈波整流，其技術(shù)相對成熟，工作可靠性高；且AC／AC斬波器的功率器件運行環(huán)境好，通過調(diào)節(jié)交流PWM變換器的導(dǎo)通占空比，就可改變升壓變壓器原邊電壓，從而達到控制直流輸出的目的.

圖1 高壓直流電源系統(tǒng)框圖

1.1 PWM交流變換電路設(shè)計

由于三相PWM交流調(diào)壓電路的每相都可等效為一個單相交流變換電路，因此其工作原理與單相電路相似［2］.如圖2所示，為降壓式三相PWM交流斬波調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)，Q1和Q4、Q2和Q5、Q3和Q6為3對全控功率開關(guān).由于三相電壓線性相關(guān)，只存在兩個獨立變量，因此采取在一個時刻對其中兩相斬波控制，而另一相保持導(dǎo)通，這樣可比對三管同時斬波控制方式減小1／3的開關(guān)損耗.每相電壓的大小關(guān)系決定了每對功率開關(guān)的工作方式.具體地，電壓最小相的一對開關(guān)保持導(dǎo)通，其它兩對開關(guān)以某一占空比進行PWM調(diào)制.如當(dāng)B相電壓最低時，讓Q2、Q5持續(xù)導(dǎo)通，而對Q1和Q4、Q3和Q6分別進行互補的高頻PWM控制，這樣得到與輸入正弦電壓同相、等幅的一系列等寬的脈沖電壓輸出.L1、L2、L3和C4、C5、C6組成三相LC低通濾波器，可有效濾除開關(guān)次的高頻諧波.

圖2 降壓式三相PWM交流變換電路

PWM交流變換電路的控制原理圖在圖3中給出.對輸出高壓直流通過霍爾傳感器采樣，作為電壓反饋，與設(shè)定的基準值比較，誤差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出，再與高頻三角載波比較得到高頻脈沖.由于在1／3個工頻周期內(nèi)總有一對開關(guān)管保持導(dǎo)通，因此可通過過零檢測和邏輯門來實現(xiàn)PWM波的分配.此處以A相電壓最低來說明該邏輯電路脈沖分配的實現(xiàn).三路相電壓分別經(jīng)過零比較器后，得到3路與線電壓同步的工頻方波信號Sab、Sbc、Sca.A相電壓低于B相電壓所以Sab為低，該信號經(jīng)過反向器后再和信號Sca相與，同時由于A相電壓最低，Sca為也高，那么Ta就為高，g1、g4都為高，因此與A相相連的IGBT（Q1和Q4）保持導(dǎo)通.同樣的道理，B相電壓最低時，Q2和Q5保持導(dǎo)通、C相電壓最低時，Q3和Q6保持導(dǎo)通，這樣就實現(xiàn)了PWM波的正確分配.當(dāng)輸入電壓變化或者負載變化引起輸出電壓改變時，PI調(diào)節(jié)器的輸出就會改變，PWM發(fā)生器的脈寬的變化就能夠引起斬波器輸出的變化，從而改變輸出直流電壓，使得輸出無差地跟蹤給定，保證高質(zhì)量的穩(wěn)定高壓直流［3］.

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

PWM交流變換電路的輸入功率因數(shù)隨著占空比的增大而提高，因此額定占空比設(shè)定越大越好.但是，為了保證系統(tǒng)有較寬的調(diào)節(jié)范圍，占空比不能取得過大，因為如果占空比太大，在系統(tǒng)重載或輸入較低時，系統(tǒng)有可能不能得到額定的直流電壓［4］.由于整流輸出連續(xù)時的直流電壓平均值為

式中，Ue為移相整流變壓器副邊線電壓的有效值.故系統(tǒng)的輸出直流為

式中，Ui為系統(tǒng)輸入交流線電壓的有效值，k為移相三繞組變壓器的變比，D為交流變換器中PWM波的占空比.

在輸入電壓最低且滿載時，占空比最大，確定最大占空比Dmax，計算出k.當(dāng)輸入電壓最高且空載時，為保證輸出額定，則占空比為最小，計算最小占空比

1.2 12脈波整流電路設(shè)計

12脈波整流電路是由兩個相位差30°的變壓器分別供電的兩個三相整流橋構(gòu)成的，如圖4所示.由于這種結(jié)構(gòu)各次諧波互相抵消，注入網(wǎng)側(cè)的只有12k±1（k為正整數(shù)）次諧波，且其有效值與諧波次數(shù)成反比，而與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的導(dǎo)數(shù)，所以可以降低交流輸入側(cè)的電流諧波、提高輸出電壓的質(zhì)量［5］.

圖4 12脈波整流電路原理圖

2 仿真與分析

設(shè)定輸入額定電壓為380V（三相交流線電壓），最大輸入功率為40kVA，額定輸出直流電壓為4kV；開關(guān)頻率取15K；最大占空比為0.94，變壓器變比為4.6.負載取R＝400Ω，此時輸出最大功率.圖5為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時輸入電壓ui、電流ii和輸出電壓波形Ud.可以看出，輸出電壓穩(wěn)定在4 000V，利用平均值計算模塊可得輸出平均電壓為3 997V.在示波器內(nèi)放大Y軸，發(fā)現(xiàn)輸出直流的脈動峰峰值為10V，在合理的范圍內(nèi).而且輸入電流接近正弦，經(jīng)傅里葉分析有THD＝4.71%，其中11和13次諧波電流最大，利用有功／無功測量模塊以及數(shù)學(xué)計算模塊測得功率因數(shù)約為0.98.圖6為AC／AC斬波輸出電壓和輸出電流波形.該仿真結(jié)果表明，額定負載時，本系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能良好.

圖5 穩(wěn)態(tài)輸入電壓、電流和輸出電壓波形

圖6 AC／AC斬波輸出電壓、電流波形

動態(tài)性能的仿真包括系統(tǒng)在開機仿真、負載變動和輸入電壓波動情況下系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能.

2.1 系統(tǒng)啟動仿真

系統(tǒng)滿載啟動的仿真波形如圖7所示.可見，輸出電壓上升迅速，在10個工頻周波內(nèi)上升到了大約3 970V，15個周波后穩(wěn)定在額定值，性能良好.

圖7 系統(tǒng)上電過程的輸出波形

2.2 負載調(diào)節(jié)仿真

仿真包括兩個過程：負載從滿載到半載和從半載到滿載.輸出電壓仿真波形如圖8所示.在4s前系統(tǒng)穩(wěn)定在4 000V，4s這個時刻負載由半載變?yōu)闈M載，輸出電壓產(chǎn)生瞬間向下電壓沖擊，幅度小于200V左右，之后電壓迅速上調(diào)，在0.2s內(nèi)輸出電壓重新回到額定值.在7s時，負載由滿載變?yōu)榘胼d，此時也有瞬間電壓尖峰，之后迅速穩(wěn)定在4 020V，存在小幅誤差，而在0.8s后輸出電壓調(diào)整額定輸出電壓.可見，負載變化時，系統(tǒng)反應(yīng)較快，穩(wěn)定性好.

圖8 負載變動時的直流輸出波形

2.3 輸入電壓變化仿真

該部分保持滿載不變，而考慮輸入電壓波動范圍在±10%時，系統(tǒng)的動態(tài)性能，波形如圖9所示.在圖9（a）中，在3s時，電壓跌落10%，此時輸出下降大約300V，在接下來的0.5s內(nèi)回升到額定電壓，穩(wěn)定在4kV.同樣，圖9（b）中顯示的是在3s時刻，輸入電壓上升10%，輸出電壓上升200V，0.5s后回到額定電壓.因此，系統(tǒng)對輸入電壓改變的響應(yīng)迅速.

圖9 輸入交流電壓波動時的直流輸出波形

3 實驗結(jié)果

基于上述仿真，搭建了實驗電路.圖10給出了三相PWM信號的的分區(qū)圖，可見，在每個工頻周期被分為3個區(qū)間，每個區(qū)間內(nèi)總有一相的兩只開關(guān)保持導(dǎo)通，而另外兩對IGBT進行高頻通斷控制，互補管的驅(qū)動信號死區(qū)時間的設(shè)置保證了電路的安全運行.

圖10 3對IGBT的PWM信號分區(qū)

圖11為滿載（40kW電阻負載）情況下，直流輸出電壓及高壓霍爾的輸出波形.2通道為高壓探頭測得的輸出直流電壓波形，每格為1kV，可見輸出穩(wěn)定在4 000V；3通道為高壓霍爾輸出波形，此時在主電路輸出為額定電壓時，正好對應(yīng)電壓霍爾的5V額定電壓值，測量準確.經(jīng)測算系統(tǒng)效率高達97.2%.

圖11 高壓霍爾輸出及電源輸出電壓波形

4 結(jié) 論

綜合本文提出的新型結(jié)構(gòu)高壓直流電源的仿真分析和實驗波形結(jié)果表明，本文提出的高壓直流電源穩(wěn)態(tài)誤差小，啟動迅速，動態(tài)調(diào)節(jié)能力快，穩(wěn)定性好，從而驗證了本文的科學(xué)性.

［1］ 冀 飛，王順喜.高壓直流電源技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］.高壓電器，2004（8）：34－35.

［2］ 王志強，李國峰，劉志剛.基于LCC諧振變換器的高壓直流電源設(shè)計［J］.2012，16（4）：4－6.

［3］ 姚為正，張國菊，何青蓮.15kV高壓直流電源的研制［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（12）：65－66.

［4］ 解 大，喬歆慧，張延遲.Z源AC／AC變換器的諧波消除PWM 技術(shù)［J］.電機與控制學(xué)報，2011，15（4）：1－6.

［5］ 王兆安，楊 軍，楊進軍，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.