一種電流快速轉(zhuǎn)移直流電源的研究

張 敏，余 娟

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引 言

一些工業(yè)應(yīng)用和科研試驗中，常常需要輸出電流大、紋波小、變化快的直流電源。為了使輸出電流大且紋波小，直流電源線路中一般采用大電感濾波，這導(dǎo)致電流快速變化（微秒級）的難度增大，于是引出了電流快速轉(zhuǎn)移技術(shù)。所謂電流快速轉(zhuǎn)移技術(shù)，指利用某些電力電子器件的開關(guān)特性，使主輸出支路電流快速轉(zhuǎn)移到其他支路，從而達到主輸出支路電流快速變化的目的。

1 電流快速轉(zhuǎn)移的方法

現(xiàn)有的電流快速轉(zhuǎn)移方法主要有以下幾種。

1.1 基于一次電流轉(zhuǎn)移的限流器的方法

此法由快速機械開關(guān)和PTC電阻并聯(lián)組成限流器。限流過程中，電流由快速開關(guān)直接轉(zhuǎn)移至PTC電阻，電壓越高，金屬鎢冷態(tài)電阻越小，電流轉(zhuǎn)移越快；但是，電壓太高會引起滅弧室體積變大，且金屬鎢冷態(tài)電阻太小會導(dǎo)致溫度不能快速升高，造成PTC效應(yīng)不明顯，從而不能達到預(yù)定的限流效果。

1.2 基于兩次電流轉(zhuǎn)移的短路電流限制器的方法

此方法把快速機械開關(guān)、GTO開關(guān)和限流電阻結(jié)合起來，利用機械開關(guān)運行損耗小的特性，同時實現(xiàn)短路電流的兩次快速轉(zhuǎn)移。其缺點是快速機械開關(guān)的響應(yīng)速度慢，斷開時存在飛弧現(xiàn)象，并且沒有解決轉(zhuǎn)移電流調(diào)節(jié)問題。

1.3 基于真空觸發(fā)開關(guān)的快速關(guān)合開關(guān)的方法

此法是在電路中利用真空觸發(fā)開關(guān)（Triggered Vacuum Switch，TVS）和快速合閘的真空斷路器（Vacuum Circuit Breaker，簡稱VCB）并聯(lián)構(gòu)成快速關(guān)合開關(guān)，利用TVS快速關(guān)合電流源，同時利用VCB對TVS上的電流進行分流，從而降低TVS中的電流值并減少TVS上的電流導(dǎo)通時間，保證TVS的使用壽命。它的主要缺點是真空斷路器體積大、響應(yīng)速度慢、轉(zhuǎn)移電流不能調(diào)節(jié)。

2 基于IGBT并聯(lián)編碼電路的電流快速轉(zhuǎn)移直流電源

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）具有開關(guān)速度高、損耗小、耐壓通流能力強的特點。本文研究一種基于IGBT并聯(lián)編碼電路的電流快速轉(zhuǎn)移直流電源，以大功率IGBT作為快速開關(guān)，通過控制IGBT的通斷控制電流快速轉(zhuǎn)移、調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)移深度以及調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)移寬度。

2.1 直流電源系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由整流變壓器、可控整流電路、濾波電路、快速開關(guān)電路以及電流快速轉(zhuǎn)移編碼電路組成。

2.2 系統(tǒng)主電路的原理

系統(tǒng)主電路的原理如圖1所示。整流變壓器有2組繞組，分別為星形連接和三角形連接，兩組繞組相位相差30°。可控整流電路由12組晶閘管和快速熔斷器組成，一個晶閘管串聯(lián)一個快速熔斷器為一組，構(gòu)成12脈波整流電路[1]。信號傳輸?shù)牧鞒蹋赫髯儔浩鞲綦x輸入電源，并提供適宜的電壓；可控整流電路將變壓器輸出的交流信號變成直流信號；經(jīng)過T型LC濾波電路，輸出紋波小、穩(wěn)定度高的電流；IGBT0作為快速開關(guān)，控制電源通斷；電流快速轉(zhuǎn)移編碼電路控制輸出電流的轉(zhuǎn)移和深度[2]。

圖1中，電流快速轉(zhuǎn)移編碼電路由8條串聯(lián)支路并聯(lián)組成，每條串聯(lián)支路包含一個IGBT串聯(lián)一個電阻。每條支路中電阻R的取值應(yīng)確保發(fā)生電流轉(zhuǎn)換時各個IGBT通過的電流滿足以下要求：IGBT1通過的電流為額定電流的1/2，IGBT2通過的電流為額定電流的1/4，依此類推，IGBT8通過的電流為額定電流的1/256，IGBT9通過的電流也為額定電流的1/256；當(dāng)編碼控制IGBT1～IGBT9導(dǎo)通時，輸出電流可調(diào)節(jié)達到總電流的0%～50%，調(diào)節(jié)精度達到總電流的1/256（約0.4%）。

圖1 直流電源主電路

2.3 系統(tǒng)控制電路的組成

系統(tǒng)中所有的IGBT（IGBT0～IGBT9）都有獨立的控制信號，控制信號由控制電路發(fā)出。電源系統(tǒng)控制電路的組成如圖2所示。

圖2 直流電源控制電路

電路采用DSP+CPLD作為控制核心進行計算與處理；采用液晶顯示器顯示電源系統(tǒng)的狀態(tài)；控制系統(tǒng)采集來自3個直流電流傳感器和一個電壓傳感器共4路檢測信號；進行電流轉(zhuǎn)移時，由控制系統(tǒng)為10個IGBT提供控制信號，通過IGBT的導(dǎo)通控制輸出電流的大??；控制系統(tǒng)還具有光纖通信的功能，通過RS485光通信接口與上位機進行通信[3]。

3 結(jié) 論

經(jīng)實踐生產(chǎn)檢驗，基于IGBT并聯(lián)編碼電路的電流快速轉(zhuǎn)移技術(shù)相對于傳統(tǒng)的機械開關(guān)投切技術(shù)，可以避免機械開關(guān)在投切過程中的拉弧、噪聲等問題；基于IGBT器件良好的性能，響應(yīng)速度從幾十毫秒降到了幾十微秒；電流轉(zhuǎn)移的寬度由程序控制，可從數(shù)微秒到數(shù)秒之間調(diào)節(jié)；實現(xiàn)電流快速轉(zhuǎn)移的同時實現(xiàn)了電流的多級、高精度可調(diào)；IGBT的排版采用模塊化設(shè)計，所有IGBT裝在一個模塊中，過電壓低、安裝尺寸小，可以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。綜上所述，本直流電源具有電流轉(zhuǎn)移響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)移精度高、電流紋波小等特點，適合在眾多需要電流轉(zhuǎn)移的場合推廣使用。