高壓直流寬范圍輸入輔助電源設(shè)計(jì)

許繼電源有限公司　袁順剛　常志國(guó)　張　濱　劉振威

許繼昌南通信設(shè)備有限公司　劉玉琦

引言

輔助電源系統(tǒng)存在于任何能量變換裝置中，在高壓柔性直流輸電系統(tǒng)中，其核心組件換流閥，需要為換流閥的控制與驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定的輔助電源。為了降低電磁干擾，簡(jiǎn)化進(jìn)線線路等問(wèn)題，輔助電源的輸入將直接從單個(gè)閥體的直流母線上取電。為了保證系統(tǒng)安全、換流閥的穩(wěn)定可靠，要求母線電壓在較低情況下控制與驅(qū)動(dòng)部分能夠正常穩(wěn)定工作，即要求輔助電源盡可能在較寬范圍內(nèi)工作。查閱關(guān)于高電壓、寬范圍輸入的輔助電源資料，目前國(guó)內(nèi)外研究較少，比較集中在1500V以下。對(duì)更高電壓、更寬范圍的輔助電源很少研究[1][2]。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)出一款高壓輔助電源產(chǎn)品，給出了具體設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形。

1.方案設(shè)計(jì)

在張北±500kV架空線柔性直流輸電換流閥工程中，對(duì)輔助電源提出320～3600V范圍內(nèi)可正常工作、輸出功率88W、高可靠性、多保護(hù)等要求。針對(duì)其特征小功率、寬范圍，選擇使用反激電路拓?fù)洹?/p>

反激拓?fù)潆娐泛?jiǎn)單、元件數(shù)量少、體積比較小、成本較低，可實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電氣隔離，具有安全、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種輔助電源和小功率電源中[3]。其電壓范圍廣，適合各種不同電壓等級(jí)場(chǎng)合。在反激拓?fù)潆娐分袉味朔醇ぷ儞Q器，其開關(guān)管關(guān)斷電壓應(yīng)力較大，難以試用較高輸入電壓的場(chǎng)合，而雙管反激變換器的主開關(guān)電壓應(yīng)力僅為輸入電壓，并且漏感能量可回饋到輸入母線，無(wú)需增加任何吸收電路，因次對(duì)比單端反激，雙管反激的整機(jī)效率比較高，其非常適用于較高輸入電壓和性能要求的場(chǎng)合[4][6]，故本設(shè)計(jì)的高壓輸入輔助電源將采用雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。反激拓?fù)潆娐吩韴D如圖1所示。

圖1　雙管反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

基于此原理圖，使用雙管反激拓?fù)?，?duì)輸入電壓范圍320～3600V、輸出電壓 220V輔助電源進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。本文通過(guò)對(duì)輔助電源主電路及控制電路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵器件的選型、電壓環(huán)路設(shè)計(jì)來(lái)保證寬范圍輸入電壓實(shí)現(xiàn)、高壓隔離的實(shí)現(xiàn)和雙管高壓隔離與同步驅(qū)動(dòng)電路功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)樣機(jī)調(diào)試過(guò)程中，進(jìn)行典型輸入電壓、低壓?jiǎn)?dòng)與帶負(fù)載情況等試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的雙管反激輔助電源進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。EMI濾波然后經(jīng)過(guò)升壓電感功能[5][6]。

2.電路設(shè)計(jì)

2.1　主回路設(shè)計(jì)

該輔助電源主電路主要由欠壓?jiǎn)?dòng)電路、輸入保護(hù)電路、主電路、高頻變壓器、整流輸出電路、輔助供電電路和采樣反饋電路等七部分組成，如圖2所示。

圖2　輔助電源主電路

2.1.1控制芯片選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求、母線狀態(tài)、工況溫度等綜合考慮，本設(shè)計(jì)主控芯片選擇使用TI公司生產(chǎn)的UCC38C44芯片。該芯片是電流控制型PWM調(diào)制器，采用BiCMOS工藝，具有較低的功率消耗，有效提高工作效率。芯片內(nèi)部電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器、電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率MOSFET的理想器件。較少的外部電路，能獲得成本效益高的解決方案與可靠性能。芯片提供8腳雙列貼片塑料封裝，可減少PCB布板面積。

2.1.2MOS管的選取

MOSFET是輔助電源核心器件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的PWM對(duì)其進(jìn)行通斷控制，將母線直流電轉(zhuǎn)換成高頻脈沖電壓，為了保證工作在最高電壓下D-S之間不被擊穿，考慮設(shè)計(jì)1.5倍的裕量。此時(shí)應(yīng)有：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其中Vin為單個(gè)MOS管平均電壓，n為原副邊變壓器匝比，Ipk為峰值電流。計(jì)算過(guò)程中需要考慮，雙管不均衡現(xiàn)象、峰值電流、電壓尖峰等，最后選擇選用IXYS公司生產(chǎn)的型號(hào)為IXTF1N450的MOS管，其耐壓為4500V，導(dǎo)通電流為1A。

2.1.3輸出整流二極管選取

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，副邊電流流過(guò)功率二極管，此時(shí)Vds承受最大反向壓力。需要考慮三個(gè)方面的因素，額定電壓、額定電流、反向恢復(fù)時(shí)間，考慮設(shè)計(jì)1.5倍裕量選取整流二極管。

二極管的額定正向電流Iave，一般情況下一個(gè)3A的普通二極管在100℃時(shí)，輸出電流只有0.4A，本產(chǎn)品采用型號(hào)為F10F150S二極管，兩顆串聯(lián)，其反向恢復(fù)時(shí)間為170ns。

2.1.4變壓器計(jì)算

在反激電路中變壓器是主要的能量轉(zhuǎn)換器件，起到電能存儲(chǔ)、變壓變換、原副隔離三重作用。

原邊電感量：

為了改變輸出電壓質(zhì)量，減少漏感引起的尖峰震蕩與輸出紋波，變壓器采用夾層繞制工藝（三明治繞法）。

2.2　功能電路設(shè)計(jì)

2.2.1輔助供電電路設(shè)計(jì)

反激變換器中，輔助供電繞組是給芯片提供穩(wěn)定電源的作用，為了保證電壓在比較低的狀態(tài)下能夠正常啟動(dòng)，輔助繞組設(shè)定電壓要高于芯片的工作電壓，因此需要增加一個(gè)線性穩(wěn)壓電路保證芯片在低電壓情況下的正常供電。如圖3所示：

圖3　輔助穩(wěn)壓供電電路

輔助電源在芯片啟動(dòng)之后，輸出建立，輔助繞組開始工作，之后芯片電壓將由該部分電路進(jìn)行供電。具體工作原理如下：當(dāng)電容C8兩端有電壓，電壓接近穩(wěn)壓管D7穩(wěn)壓值時(shí)，由于穩(wěn)壓管接在Q5基極，輸出電壓升高Q5導(dǎo)通，為C9充電，VCC電壓穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)壓的效果。

2.2.2電壓環(huán)路設(shè)計(jì)

次級(jí)電壓環(huán)路采用穩(wěn)壓器件TL431作為基準(zhǔn)和反饋誤差放大器，采樣輸出，并產(chǎn)生相應(yīng)的誤差電壓基準(zhǔn)源，該誤差電壓通過(guò)高壓隔離光耦CNY64轉(zhuǎn)變成誤差電流，耦合到初級(jí)中，進(jìn)入控制芯片UCC38C44的輸入VFB腳。UCC38C44通過(guò)此信號(hào)輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的占空比信號(hào)來(lái)控制功率開關(guān)時(shí)間。在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了TL431內(nèi)部的反饋運(yùn)算放大器，所以在光耦接UCC38C44時(shí)，不使用芯片的內(nèi)部運(yùn)放，把誤差輸入接UCC38C44內(nèi)部運(yùn)放的輸出端，該設(shè)計(jì)可以把反饋信號(hào)的傳輸時(shí)間縮短，使電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，保證了隨負(fù)載變換時(shí)輸出電壓穩(wěn)定[7]。電壓環(huán)路原理如圖4所示：

圖4　電壓環(huán)路原理圖

2.2.3保護(hù)電路設(shè)計(jì)

該輔助電源給高壓柔性輸電系統(tǒng)核心組件換流閥控制部分供電，在遇到意外事故及惡劣環(huán)境條件下，保護(hù)電路功能是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。保護(hù)電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作，對(duì)電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。確保直流開關(guān)電源的正常工作，反激輔助電源中母線電壓過(guò)壓及欠壓不穩(wěn)定對(duì)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流能力，超出正常使用的范圍而損壞，同時(shí)因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足要求。

欠壓?jiǎn)?dòng)電路如圖2中區(qū)域A所示。圖中母線電壓經(jīng)過(guò)啟動(dòng)電阻R-S進(jìn)行分壓后給VCC充電，VCC為芯片供電電壓，D3為穩(wěn)壓二極管，通過(guò)電阻R4、C7、D3控制三極管Q3的B極電壓值，電壓低時(shí)Q3三極管導(dǎo)通，芯片不工作，母線電壓抬升，Q3的B極電壓值升高，Q3三極管截止，VCC電容進(jìn)行充電，芯片可以進(jìn)入啟動(dòng)工作狀態(tài)。

過(guò)壓保護(hù)電路如圖2中區(qū)域C所示。圖中2PIN為主控芯片電壓保護(hù)輸入端，通過(guò)分壓電阻R-T與R9進(jìn)行分壓得到一個(gè)采樣值進(jìn)入控制芯片進(jìn)行比較計(jì)算，R8與R9、Q4組成了一個(gè)簡(jiǎn)易的帶滯回功能過(guò)壓保護(hù)電路。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證及分析

根據(jù)上述的電路設(shè)計(jì)方案，制作出320～3600V輸入/220V輸出，額定功率88W雙管反激輔助電源樣機(jī)，并進(jìn)行了自測(cè)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)。產(chǎn)品樣機(jī)如圖5所示：

圖5　電壓環(huán)路原理圖

實(shí)驗(yàn)使用測(cè)量?jī)x器有橫河DLM2024示波器、安捷倫數(shù)字表Agilent 34401A、艾德克斯電子負(fù)載。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輸入電壓與輸入電流、低電壓?jiǎn)?dòng)、上下MOS驅(qū)動(dòng)同步和不同負(fù)載等級(jí)下輸出技術(shù)指標(biāo)。

（1）驅(qū)動(dòng)輸入端與上下管波形如圖6所示：

CH1通道驅(qū)動(dòng)輸入端波形，CH3通道上管驅(qū)動(dòng)波形，CH4通道下管驅(qū)動(dòng)波形。

圖6　驅(qū)動(dòng)輸入與上下MOS管波形

（2）啟動(dòng)波形如圖7所示：CH1輸出電壓波形，CH2母線電壓波形，CH3芯片供電腳VCC波形。

圖7　啟動(dòng)波形

（3）滿負(fù)載短路試驗(yàn)波形如圖8所示：CH1輸出電壓波形，CH2母線電壓波形，CH3芯片供電腳VCC波形。

圖8　滿載短路波形

4.結(jié)束語(yǔ)

本產(chǎn)品基于雙管反激電路拓?fù)?，使用UCC28C44控制芯片，給出詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)方案，制造樣機(jī)，進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，驗(yàn)證了雙管反激輔助電源方案適合寬范圍高電壓輸入場(chǎng)合，圓滿完成了本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的任務(wù)。該電源具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)前景。

[1]Petar J,Grbovi′c.High-voltage auxiliary power supply using seriesconnected mosfets and floating self- driving technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(5):1446-1455.

[2]Torresan H D,Holmes D G.Auxiliary power supplies for high voltage converter systems[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004: 645-651.

[3]劉計(jì)龍,楊旭,趙春朋,安昱.用于高壓電力電子裝置的輔助電源的設(shè)計(jì)[J].電源學(xué)報(bào),2012(01).

[4]閆福軍.寬電壓輸入反激式開關(guān)電源的研究[D].西安:電子科技大學(xué),2010.

[5]閆福軍,梁永春.一種光伏發(fā)電系統(tǒng)中輔助電源設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù),2010(08).

[6]Christopher P.Basso.開關(guān)電源SPICE仿真與實(shí)用設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[7]韓林華,吳迺凌,史小軍,朱為,堵國(guó)梁.反激開關(guān)電源中基于PC817A與Tl431配合的環(huán)路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J].電子工程師,2005(11).