分布式高压隔离辅助电源供电装置

针对传统辅助电源存在高压隔离性能差、安装方式不够灵活、成本高等问题,提出了一种分布式高压隔离辅助电源供电装置的设计方案,介绍了该装置的硬件电路、软件设计。并且对该装置的主回路进行了仿真分析,并且和实际的实验结果做了对比说明。
该装置可实现多路高压隔离输出,可以根据需要输出不同的电压等级,具有输出稳定性好、电气绝缘性能可靠且易于实现、抗干扰性能优异、安装方式灵活、成本低的特点。
大功率或中功率电源系统往往需要独立于主功率回路的辅助电源对其供电。辅助电源的输出功率虽然不大,但它是一个电源系统中非常重要的部分,将影响到整个电源系统的性能。例如,一般的高压变频器都采用逆变单元串联的方式,每个单元的对地绝缘电压要求比较高。这就要求各逆变单元的辅助电源除满足高稳定性和高可靠性的基本要求外,要与主回路电源相互隔离,各个单元之间也必须相互隔离,并且隔离的电压等级要求很高。
在电源系统中,控制、驱动电路往往需要不同的电压等级进行供电,而同一电压等级也需要多个辅助供电电源。为了满足这种辅助供电的需求,通常将输入的电网电压直接变换成负载所需要的供电电压,或者通过增加变换器的辅助绕组来增加输出的路数,再用较长的连线将转换好的电压连接到负载上。这种供电方式称为集中式供电。
这种方法虽然设计简单,供电独立,但成本、体积、重量都会加大,且在需要有高电压隔离的应用场合,变压器必须做特殊处理才能满足高压隔离的要求。
近年来,分布式的多路输出结构有了飞速的发展并且在一些电源系统中已经有了较为成熟的应用。所谓分布式的电源系统是指将输入的电网电压变换成某一中间电压作为母线,再在需要的地方用一批直流/直流(DC/DC)或整流(AC/DC)变换器,将其变换成系统所需要的电压。这可以大大的减小重量和体积,提高可靠性,还可以更好的控制达到各负载板上电源的质量。
分布式电源系统的冗余性、扩展性、灵活性也大大加强。但其也存在一定的问题,就是在需要高压隔离的场合,(DC/DC)或整流(AC/DC)变换器一次侧和二次侧之间也必须达到需要满足的绝缘耐压要求,这就会使整个的成本增加。
在此基础上,笔者提出了一种分布式高压隔离辅助电源供电装置的设计方案,该装置吸取了分布式辅助电源供电方式的优点,并且改进了其隔离性能,可以根据需要满足不同电压等级的绝缘耐压要求。

1分布式高压隔离辅助电源供电装置硬件设计

由辅助电源供电装置主回路电路、控制和检测电路部分构成。
1.1 辅助电源供电装置主回路电路
供电电路原理框图
图1 供电电路原理框图
如图1所示,供电装置的主回路进线采用单相交流电源,经二极管D1~4后整流为直流,再经平波电容C1、C2滤波,得到一个直流电压。在控制电路的作用下,半桥拓扑结构的逆变器(Q1、Q2)将直流电压逆变成交流输出,经负载(L1,C4或C5)形成闭合回路,得到交流电流。
该交流电流直接穿过各个分支回路的磁芯,在二次回路中产生交变的磁场,交变磁场在二次线圈中产生交变的感应电动势,经整流、滤波、稳压之后产生能供其他设备使用的辅助电源。
主回路与各个分支回路之间仅通过磁环内的交变磁场进行能量传递,就相当于一个有着多个副边绕组的变压器,一次绕组为穿过磁环的输出线缆,二次绕组为各个分支回路磁环上的二次线圈。
一次绕组与二次绕组没有直接电气连接,仅在磁环处相距较近,只要交流线圈(即主回路逆变部分的输出线缆)额定电压足够高,便可实现主回路与分支回路之间、各分支回路之间高隔离电压的要求,比如,主回路逆变输出采用额定电压为10kV,2.5mm2的硅橡胶电缆,便可满足10kV单元串联式高压变频器的使用需要。
采用此种结构的优势有:
  • 1)安装灵活:主回路交流线圈只穿磁环一次,各个磁环可以方便的移动到需要安装的位置。
  • 2)高隔离性能:一次侧和二次侧的电能通过交流线圈和磁环的电磁感应流通,只要交流线圈的耐压等级足够,各个二次侧的磁环电气间隙足够,就可以满足现场高压隔离的需求。
  • 3)主回路采用半桥拓扑结构,可以消除大部分IGBT导通、关断时产生的谐波。其主回路交流线圈中的电流近似于正弦交流电流。
  • 4)通过调整磁环二次侧的绕线匝数可以方便的调整输出辅助电源的电压等级。
  • 5)成本低。
1.2控制和检测部分
控制和检测部分如图2所示,由电流检测电路、温度检测电路、单片机[2]电路、IGBT驱动保护电路等组成。
图2 控制和检测部分原理框图
单片机电路是整个装置的核心处理部分,它实现各种数据的采集计算,实现整个装置的保护逻辑,产生驱动IGBT的脉冲。它可以根据所检测电流值、温度值调整所给出的PWM脉冲信号。
IGBT的驱动电路采用金升阳公司的驱动芯片QP12W05S-37,主要接收单片机给出的PWM信号,将其转换为IGBT的驱动脉冲,从而控制主电路的线圈电流。该驱动芯片可以实现驱动IGBT、隔离主回路和控制回路、实现过流和短路保护等功能。
电流检测交流线圈中的电流大小,返回给单片机,实现电流闭环控制,可以实现主回路的过载保护。温度检测电路检测IGBT的温度,实现对IGBT的过温保护,防止IGBT因为工作在过温状态而损坏。

2主回路电路部分仿真

根据上面介绍的主电路结构搭建电路,并用Matlab进行了仿真。仿真模型的建立如图3所示:
主回路仿真原理图
图3 主回路仿真原理图
其中的电源部分没有用整流滤波电路,直接采用一个312V直流电源加上一个100mH的电感L3代替交流220V整流滤波电路作为仿真电路的电源,这并不影响仿真的真实性。互补脉冲的产生是用两个脉冲信号发生器产生的,其中一个延时半个周期。然后在仿真的时候用示波器监测负载电感的电压、电流和两个IGBT的驱动脉冲。
主回路仿真电压、电流和两路IGBT互补驱动脉冲
图4 主回路仿真电压、电流和两路IGBT互补驱动脉冲
在把占空比调节到50%的时候,仿真结果如图4所示,自上而下依次是图2中L两端的电压波形、电流波形、和两路IGBT的驱动脉冲。其中四路波形的横坐标均为时间,单位是0.001s。

3 实验结果

用Fluke 43B电能质量分析仪实际测得图1中L1的电流、电压波形如图5所示,其中波线①为电流波形,波线②为电压波形,其横坐标为时间,每大格250ms。整个主回路实际运行与仿真结果稍有差异,但差别不大,实测波形优于仿真波形,更接近正弦波。
 主电路电压、电流波形
图5 主电路电压、电流波形

4 软件部分实现

分布式高压隔离辅助电源供电装置的主程序软件流程图如图6所示。整个装置上电后先初始化和自检,自检没有问题之后先给主回路输出一个占空比比较小的驱动脉冲,逐渐调整脉冲的占空比主回路的电流稳定在一定的范围之内,保证装置的稳定性,而后监测供电电流,如出现过流、过温之类的故障,则会报警停机,保护整个装置。
整个程序中也添加了许多抗干扰技术、软件陷阱技术,防止程序跑飞,使整个装置更加可靠、稳定。
图6 高压带电体温度检测装置的软件流程图

5 结论

分布式高压隔离辅助电源供电装置已经在实验室搭建并试验成功,各路分支回路的输出电压稳定、可靠。主回路电流线圈采用10kV的绝缘电缆,可以供给10kV及以下电压等级的电源系统使用,电气绝缘性能可靠并且可以通过更换主回路的电流线圈满足更高绝缘电压等级的要求。
并且该装置所输出辅助电源的部分体积小、成本低,可以直接放置到电源系统需要辅助电源的电路板上面,也可以通过接线的方式连接到需要辅助电源供电的地方,安装方便。
分布式高压隔离辅助电源供电装置很好的解决了传统辅助电源隔离性能差的问题,可以根据需要满足不同电压等级的绝缘耐压要求,具有很好的现实意义及应用前景。

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