多路輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路及其在短路限流器中的應(yīng)用

1 引言

電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，在電力電子裝置中，在需要隔離電源的地方，均設(shè)置獨(dú)立的包括原、副邊電路的整套工作電源，電路復(fù)雜，效率低，體積大，成本高，可靠性低；有些電力電子裝置使用帶有電壓泵的專用單電源驅(qū)動(dòng)電路，可以省掉復(fù)雜的多路隔離輔助電源，但由于這種專用電路的局限性，不能適用于高電壓、大功率和其它有特殊需要的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[1]提出的用于電力電子裝置的多路輸出隔離電源驅(qū)動(dòng)電路，采用了分布式供電方式，使用一套主電路就可以產(chǎn)生多組彼此隔離的副邊電壓，和其他形式的電源相比，在輸出功率和輸出路數(shù)相等的情況下，具有體積小，重量輕，效率高，可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)。而且由于采用具有獨(dú)立磁路的副邊繞組的變壓器，副邊繞組個(gè)數(shù)也就是輸出隔離電源的路數(shù)的增減非常方便，特別是當(dāng)輸出隔離電源的路數(shù)較多時(shí)，該電源的優(yōu)勢(shì)就更為明顯。

文獻(xiàn)[2]提出的三相橋式固態(tài)短路故障限流器，適用于電壓等級(jí)較高的電網(wǎng),電路如圖1所示，為了增加耐壓等級(jí)，電路中各晶閘管均采用多個(gè)串聯(lián)的形式，增加了隔離輸出路數(shù)，本文將隔離電源應(yīng)用于該限流器中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了電路工作的可靠性。

圖1 三相橋式固態(tài)短路故障限流器

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多路輸出隔離電源驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，它利用一組公用的交流母線，在主電路需要輔助電源的地方進(jìn)行高頻變壓器隔離變換并經(jīng)整流，濾波，穩(wěn)壓后變成所需要的直流電壓。分布式供電方法解決了多路隔離輸出的困難，并且在實(shí)際電路中它與供電對(duì)象之間可以靠得很近，減小了被干擾的機(jī)會(huì)。隔離變壓器的絕緣電壓也可以做得比較高，原副邊的分布電容比較小。

圖2 多路輸出驅(qū)動(dòng)電路供電方式

3 工作原理

驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。虛線框1內(nèi)為整流及線性穩(wěn)壓電路，虛線框2內(nèi)為具有強(qiáng)觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)框圖

3.1 高頻變壓器等效電路

高頻變壓器等效電路如圖4所示。其中Lm為變壓器原邊激磁電感，變壓器變比為1：N，is為高頻方波電流源，Vo為變壓器輸出電壓，io為變壓器輸出電流。由于變壓器原邊繞組只有一匝，所以有

Lm= （1）

當(dāng)占空比D=0.5時(shí)，變壓器的工作波形如圖5所示。

圖4 變壓器等效電路

圖5 變壓器工作波形

[t0－t1]階段，Vo為高電平，iL線性上升，其增量為

ΔiL1=dt=(t1－t0)=DT=（2）

[t1－t2]階段，Vo為低電平，iL線性下降，其增量為

ΔiL2=－ΔiL1=－（3）

輸出電流為

io=（4）

3.2 線性穩(wěn)壓及過(guò)流保護(hù)電路

由于供電電源是電流源信號(hào)，穩(wěn)壓電路采用了并聯(lián)型線性穩(wěn)壓方式，電路如圖6所示。R1起限流作用，R2，R3，R4和Z1組成穩(wěn)壓電路，Z1采用TL431精密穩(wěn)壓管，R5，V1和S1組成過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)輸入電流過(guò)大時(shí)，V1導(dǎo)通，S1柵極為高電平而導(dǎo)通，從而限制了流過(guò)Z1的電流，保護(hù)了后級(jí)電路。

圖6 線性穩(wěn)壓及過(guò)流保護(hù)電路

3.3 強(qiáng)觸發(fā)電路

強(qiáng)觸發(fā)電路如圖7所示。當(dāng)輸入下降沿到來(lái)時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，點(diǎn)2電位變?yōu)榈碗娖剑敵鰪?qiáng)觸發(fā)脈沖，下降沿結(jié)束后，電容開始充電，點(diǎn)2電位上升，當(dāng)V2>Vref時(shí)，強(qiáng)觸發(fā)結(jié)束。強(qiáng)觸發(fā)寬度τ按式（5）計(jì)算。

τ=－(R1＋R2)C1ln（5）

式中：V1O為電容開始充電時(shí)點(diǎn)1電壓；V1C為比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)點(diǎn)1臨界電壓。

圖7 強(qiáng)觸發(fā)電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用如圖1所示的三相橋式固態(tài)短路故障限流器，隔離電源的參數(shù)如下：高頻變壓器工作頻率為100kHz，原邊1匝，副邊兩路輸出，分別為3匝和1匝。主路輸出經(jīng)過(guò)整流，濾波，穩(wěn)壓后變成所需要的直流電壓。輔路輸出經(jīng)整流，濾波后變?yōu)樨?fù)電平，為晶閘管的關(guān)斷提供反向電流，加速關(guān)斷過(guò)程。圖8為輸入方波電流源波形。圖9為副邊電流波形。

圖8 方波電流源波形

圖9 變壓器副邊輸出電流波形

增大Lm可以降低磁滯損耗，減小鐵心損耗，提高變壓器傳輸效率。在鐵心尺寸大小相同的情況下，由式（1）可知，選擇相對(duì)磁導(dǎo)率μr較大的鐵心可以增大Lm。非晶鐵心由于具有很高的相對(duì)磁導(dǎo)率，可以很好地降低鐵心的磁滯損耗。圖10為非晶和鐵氧體鐵心變壓器的副邊主路輸出電流波形。由圖10可知，非晶鐵心電流波形的波頭下降率較低，即ΔiL較小。

圖10 非晶與鐵氧體副邊主路輸出電流波形比較

實(shí)測(cè)電流值及電路工作效率等見(jiàn)表1所列。其中Lm為激磁電感；ΔiL為激磁電感上電流增量；Is為原邊電流有效值；I21及I22分別為副邊輸出電流有效值；η為變壓器轉(zhuǎn)換效率。由表1可發(fā)現(xiàn)，非晶鐵心雖然具有較大的激磁電感，但由于非晶鐵心具有很低的電阻率，在開關(guān)頻率較高的情況下，渦流損耗很大，使得總損耗較鐵氧體高。由表1還可看出，雖然變壓器繞組匝數(shù)很少，但由于采用了電流源供電方式，鐵心仍然具有良好的能量傳遞特性，漏電流較小。

表1

圖11及圖12分別為驅(qū)動(dòng)電路輸出Vo及其上升沿展開的實(shí)驗(yàn)波形，波形上升沿大約為1μs，保證了晶閘管的快速導(dǎo)通，強(qiáng)觸發(fā)寬度為100μs，保證觸發(fā)的可靠性。在光纖信號(hào)結(jié)束時(shí)，輸出大約－0.8V，為器件的關(guān)斷提供反向電流，加速關(guān)斷過(guò)程，保證了關(guān)斷的可靠性。

圖11 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出Vo

圖12 上升沿展開波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的多路輸出隔離驅(qū)動(dòng)電路，采用分布式電流源供電方式，該方法解決了多路隔離輸出的困難，并且在實(shí)際電路中可與供電對(duì)象靠得很近，減小了被干擾的機(jī)會(huì)，減少了變壓器繞組匝數(shù)，能量傳遞效率較高。驅(qū)動(dòng)電路輸出具有強(qiáng)觸發(fā)，陡峭的上升沿保證了器件的可靠導(dǎo)通。該驅(qū)動(dòng)電路還適用于各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，中頻電源系統(tǒng)等其它電力電子裝置，具有廣闊的應(yīng)用前景。