基于IGBT器件的大功率DC/DC電源并聯(lián)技術(shù)研究

中心議題：

• 大功率直流電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
• 大功率直流電源的控制方案
• 電源的數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文基于IGBT器件，利用DC/DC電源并聯(lián)技術(shù)設(shè)計(jì)大功率直流電源。該電源可用作EAST托卡馬克裝置中的大功率垂直位移快速控制直流電源。對(duì)該電源裝置進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，獲得了較為滿意的動(dòng)靜態(tài)性能。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，很多場(chǎng)合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源，其技術(shù)要求為：電壓響應(yīng)時(shí)間1ms峰值電壓50V；最大電流20kA，能實(shí)現(xiàn)4個(gè)象限的運(yùn)行。針對(duì)此要求，不可避免地需采用電源并聯(lián)技術(shù)，即功率管并聯(lián)或電源裝置的并聯(lián)。對(duì)于20kA直流電源，若采用功率管IGBT并聯(lián)，每個(gè)橋臂則至少需15只功率管并聯(lián)，這不但給驅(qū)動(dòng)帶來(lái)很大困難，而且，在一般情況下，電流容量較大的功率管的電壓容量也較大，在實(shí)際電壓只有50V 的情況下，對(duì)功率管的電壓容量而言，這是極大的浪費(fèi)。因此，提出采用多米諾結(jié)構(gòu)的DC/DC電源裝置并聯(lián)技術(shù)思路。

對(duì)電源并聯(lián)系統(tǒng)的基本要求為：
1)在電網(wǎng)擾動(dòng)或負(fù)載擾動(dòng)下保持輸出電壓穩(wěn)定；
2)各模塊調(diào)制頻率一致。若不一致，則產(chǎn)生低頻脈動(dòng)信號(hào)，增大輸出電流和電壓的紋波成分；
3)控制各模塊電流，使其均分負(fù)載電流。

1 大功率直流電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/DC電源并聯(lián)有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種是采用輸入直流母線結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示，主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路，N 路DC/DC變換器，泵升電壓抑制電路等；另一種是采用獨(dú)立的AC-DC/DC電源并聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。

采用圖1a所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)需大容量不可調(diào)直流電源，一般可采用整流變壓器降壓，二極管整流并經(jīng)電容濾波得到。這種結(jié)構(gòu)雖可保證并聯(lián)的每條支路有共同的直流電壓輸入，避免并聯(lián)支路因直流側(cè)輸入電壓不同而帶來(lái)的不均衡，但該直流電源的容量大，電流達(dá)20KA，直流母線承受的負(fù)荷過(guò)重，前級(jí)AC-DC設(shè)備要求較高，不易實(shí)現(xiàn)。另外，輸入端共用母線不利于實(shí)現(xiàn)完全意義上的獨(dú)立電源模塊的并聯(lián)。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1b所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可保證每個(gè)AC-DC/DC電源模塊的獨(dú)立性，即可實(shí)現(xiàn)直流電源裝置的并聯(lián)，能夠根據(jù)實(shí)際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個(gè)數(shù)！在實(shí)際應(yīng)用中有很大的空間，有一定的研究?jī)r(jià)值。但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有它不利的一面！即若變壓器輸出電壓略有差別，則每個(gè)整流模塊的輸出電壓將不同，從而造成各整流模塊輸出電流嚴(yán)重不平衡。

不過(guò)，這種不平衡可采取如下相應(yīng)措施進(jìn)行抑制：首先，在采用獨(dú)立的AC-DC/DC電源并聯(lián)時(shí)，應(yīng)盡量做到每個(gè)模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等；其次，針對(duì)由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡，可在DC/DC環(huán)節(jié)設(shè)置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調(diào)制方式(PDW)，通過(guò)調(diào)節(jié)各DC/DC模塊的占空比使各回路的負(fù)載趨于平衡。當(dāng)電源模塊給定電流正負(fù)切換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)不同象限的運(yùn)行，滿足系統(tǒng)4象限運(yùn)行的要求。

2 大功率直流電源的控制方案

在托卡馬克快控電源的應(yīng)用中，要求電源輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤給定電流曲線。因此，該電源系統(tǒng)是電流隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的快速性將是一較重要的性能指標(biāo)。而控制方式的選擇將影響整個(gè)系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。
為更好提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的精度，實(shí)現(xiàn)電流跟隨性，采用兩級(jí)電流控制(圖2)，即總電流環(huán)和模塊電流環(huán)相互配合，不僅可提高性能指標(biāo)，且可實(shí)現(xiàn)各模塊電流的均衡。

外環(huán)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)跟蹤，采用反饋加前饋的復(fù)合控制方式。復(fù)合控制中的前饋控制不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但卻可在不增大開(kāi)環(huán)增益的情況下大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。為達(dá)到控制效果。又不使前饋通道的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。前饋控制采用的是輸入信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)，且加到信號(hào)的輸入端。內(nèi)環(huán)模塊電流環(huán)的主要功能如下。

1)改造控制對(duì)象的傳遞函數(shù)。
2)限制電流最大輸出，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)各電源模塊的均流。

3 數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

EAST等離子體垂直位移快控電源的均流是裝置并聯(lián)的一重要問(wèn)題。監(jiān)控計(jì)算機(jī)和電源模塊的CPU數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式(圖3)，即由每一電源模塊的CPU 負(fù)載實(shí)現(xiàn)各自的電流控制，并向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送該電源模塊狀態(tài)信息，監(jiān)控計(jì)算機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)各電源模塊的統(tǒng)一管理，包括向每個(gè)電源模塊發(fā)送啟動(dòng)和停止指令。發(fā)送電流給定信號(hào)，采集直流輸出總電流，總電壓，交流輸入電壓及各電源模塊的交流電壓電流，直流輸出電流，溫度，熔絲斷，門(mén)禁等物理量等。同時(shí)與上一級(jí)EAST總控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)各電源模塊進(jìn)行通訊，完成各種數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)上報(bào)，下報(bào)。模塊的自動(dòng)切除與投入等任務(wù)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)給每個(gè)電源模塊傳輸相同的給定電流！在電源模塊電流環(huán)的調(diào)節(jié)控制作用下，通過(guò)單片機(jī)的軟件編程，實(shí)現(xiàn)輸出相同的負(fù)載電流！獲得較好的均流效果。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于類似托卡馬克快控電源這樣的大容量且對(duì)其，象限運(yùn)行和電流跟蹤有較高要求的電源系統(tǒng)，可采用多個(gè)獨(dú)立的中小容量的電源模塊通過(guò)并聯(lián)來(lái)滿足電源總?cè)萘康男枨?。多電源的并?lián)面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是各組成模塊之間的均流。利用電源模塊的智能化和自動(dòng)控制系統(tǒng)理論，使電源的各個(gè)組成模塊成為具有電流跟蹤能力的閉環(huán)系統(tǒng)！由控制規(guī)律而非硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊之間的均流。如此形成的系統(tǒng)也將能夠滿足快控電源的快速電流跟蹤要求。這種設(shè)計(jì)方案所以能夠得到實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵在于具備了以下條件：

     1)單片機(jī)在電源模塊和并聯(lián)系統(tǒng)中的嵌入式應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了裝置的智能化，大大提高了模塊調(diào)制頻率的一致性。有利于減小輸出電壓，電流的低頻紋波！克服了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)各模塊調(diào)制頻率一致性的缺點(diǎn)。

     2)采用PWM技術(shù)DC/DC環(huán)節(jié)具有快速響應(yīng)能力；

     3)基于控制理論的電流跟蹤技術(shù)能以硬件均流不同的思路實(shí)現(xiàn)模塊之間的均流，通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制，向各模塊CPU 傳送相同的電流給定。實(shí)現(xiàn)電源模塊的靜態(tài)均流。

     在需要大功率輸出的場(chǎng)合。此系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。符合電源系統(tǒng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)。