（电力电子与电力传动专业论文）用于中高压电力电子装置的高压隔离驱动电源的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a c c o r d i n gt o t h es o l i d - s t a t es h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e r , an e wk i n do fd r i v e p o w e rs u p p l yw i t hm u l t i p l ei s o l a t e do u t p u t s ，w h i c hm a y b ew i d e l yu s e di nt h em i d d l e a n dh i g hv o l t a g ee l e c t r i c a l e q u i p m e n t ，i sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ep o w e r s u p p l yi sc o m p o s e do f c u r r e n tb u m p a n ds e c o n d - s i d ed r i v em o d u l e t h el o a dr e s o n a n t m o d ei sa d o p t e di nt h ed e s i g no f t h eb u m p a n dt h eb u m p s o u t p u ta p p r o x i m a t e sas i n e w a v e h i g hf r e q u e n c yc u r r e n ts o u r c e t h es u p e rh i g h - v o l t a g ec a b l eu s e d a st h eo u t p u t l i n eo fb u m p ，i ss e r v e da st h ec o m m o no n e t u r np r i m a r yw i n d i n gf o ra l lt h ed r i v e m o d u l e ，a n dt h ei s o l a t i o nv o l t a g el e v e lb e t w e e nt h eo u t p u t so f t h ep o w e rs u p p l yc a n b es e tv e r yh i g h t h es i g n a lo f t h em o d u l ei st r a n s m i t t e dw i t hf i b e lw h i c hc a t lr e d u c e e m is i g n i f i c a n t l y ，a n dag o o dp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i ci n s u l a t i o ni s g a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h ep o w e ra l s oh a sm a n ys i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l li ns i z e ， l i g h t i n w e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y a n dr e l i a b i l i t y ，l o wc o s ta n ds oo n a f t e rt h ep r i n c i p l eo f t h em a i nc i r c u i to f b u m pa n dt h er e s o n a n tl o a dn e th a v i n g b e e nd i s c u s s e d ，an e wt y p ea cb u si sp u tf o r w a r d ，a n dt h es e l e c t i o no fs e p a r a t e t r a n s f o r m e rf o rt h es e c o n d a r ys i d ed r i v em o d u l ei sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l y a tl a s t ，t h e c u r r e n t - t y p el i n e a rs t e a d yv o l t a g ec i r c u i ti sg i v e n ，a n ds w i t c h m o d eo n e a sw e l l t h e d i s s e r t a t i o ni l l u s t r a t e st h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw a v e f o r mf o re a c hu n i tc i r c u i t t h e s er e s u l t sp r o v et h a tt h ep o w e rs u p p l yp e r f o r m a n c ei si m p r o v e db yt h ep r o p o s e d m e t h o d ，a n do v e r c o m ec e r t a i nd i s a d v a n t a g e s ，a n ds oh a v eag o o du s ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：m u l t i p l eo u t p u t s ；h i g h - v o l t a g ei s o l a t i o n ；c u r r e n tb u m p ；s o l i d - s t a t e s h o r t c i r c u i tc u r r e n tl i m i t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 电力电子技术是集电力、电子和控制于一体的新兴综合技术，这门技术已发 展到可以对电能进行高效变换和对电力系统进行调整控制的阶段，其特点是控制 灵活、快速、准确、可靠。 1 1 电力电子在中高压大功率装置中的应用 近年来电力电子器件和计算机技术的快速发展，使已有的研究成果和技术不 断得到改善，中高压大功率电力电子装置的应用也越来越广泛，包括高压直流输 电系统、高压动态无功补偿及电力滤波装置( s v c ，t s f 及t s c ) ，高压静止滤波装置 ( f c ) ，大功率电动机调速装置，多电平变流器，半导体中频电源系统等其它电力 电子装置。本节就电力电子技术在中高压大功率装置的主要方面及发展做一介 绍。 l t 直流输电技术( h v d c ) 川 高压直流输电技术对大容量远距离输电来说更经济并具有一些交流输电所 没有的优越性。新一代高压直流输电技术中下在考虑使用g t o ，, i g b t 等可关断器 件，以及脉宽调制等技术。鉴于我国地域辽阔，能源分布及负荷发展极不平衡， 发展高压直流输电显得非常重要。 2 静止无功补偿器( s v c ) 1 s v c 是用以晶闸管为基本元件的固态开关替代了电气开关，实现快速、频繁 地以控制电抗器和电容器的方式改变输电系统的导纳。s v c 可以有不同的回路结 构，按控制的对象及控制的方式不同分别称之为晶闸管投切电容器( t s c ) 、晶闸 管投切电抗器( t s r ) 或晶闸管控制电抗器( t c r ) 。 我国输电系统五个5 0 0 k v 变电站用的s v c 容量在1 0 5 1 7 0 m v a r ，均为进1 2 1 设备， 型式为t c r 自t l t s c 或机械投切电容器组。国内工业应用的t c r 装置大约有2 0 套，容 量在1 0 5 5 m v a r ，其中一小半为国产设备。低压3 8 0 v 供电系统有各类t s c 型国产无 功补偿设备在运行，但至今仍没有一套国产的s v c 在我国的输变电系统运行。 3 灵活交流输电系统( f a c t s ) 例 f a c t s 是8 0 年代后期出现的新技术，应用电力电子技术实现对电能的电压、 电流、阻抗和相角等参数进行高速而精确的调节，从而大幅度提高输电线路的输 送能力和提高电力系统稳定水平，降低输电损耗，阻尼系统振荡。 近年来f a c t s 技术受到广泛地关注，电力科研部门纷纷进行f a c t s 应用的可 行性研究，制造厂商则投入巨资进行开发研究。已投运的部分f a c t s 控制器有： 浙江大学硕士学位论文 晶闸管串联电容补偿器( t c s c ) ，静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，统一潮流控制 器( u p f c ) 等。除上述几种已投运的f a c t s 设备外，还有很多处于研究开发或初 步应用阶段的设备，例如：晶闸管控制的制动电阻( t c b r ) ，晶闸管控制的移相 器( t c p s ) ，相间功率控制器( i p c ) ，超导储能器( s m e s ) 等。 4 用户电力技术( c p ) 口j 技术和f a c t s 技术是快速发展的姊妹型新式电力电子技术。采用f a c t s 的核 心是加强交流输电系统的可控性和增大其电力传输能力；发展c p 的目的是在配 电系统中加强供电的可靠性和提高供电质量。c p 和f a c t s 共同基础技术是电力 电子技术，各自的控制器在结构和功能上也相同，其差别仅是额定电气值刁i 同， 二者的融合是种趋势。具有代表性的用户电力技术产品有：动态电压恢复器 ( d v r ) ，固态断路器( s s c b ) ，故障电流限制器( f c l ) ，统一电能质量调节器( p q c ) 等。 5 变频调速装置h 在电动机的诸多调速方法中，变频调速的性能最好，调速范围宽，动态响应 快，静态稳定性好，运行效率高。近三十年来，随着电力电予技术和微电子技术 的迅速发展，变频调速传动技术在变频装置的大容量化、主功率元件的自关断化、 开关模式的p w m ( 脉冲宽度调制p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 化和控制方式的全数 字化方面取得惊人进步，作为大容量传动的高压变频技术得到广泛应用。 根据高压组成方式，可分为高一低一高型和直接高压型。 a ) 高一低一高型变频器实际还是低压变频器，只是采用变压器实行输入降 压、输出升压的方式，这种受功率器件电压等级的限制而采取的变通措施，由于 技术上的种种限制，仅用于小容量的高压电动机进行简单调速。 b ) 直接高压型变频器分为交一交变频器和交一直一交变频器。交一变变频 器因输出最高频率的限制，用于低速、大容量的特殊场合；交一直交变频器根 据中问直流环节，分为电压源型和电流源型。适合高速、大容量的特殊场合。 6 多电平变流器p ” 多电平电路结构目前主要有三种：1 ) 二极管嵌位( d i o d e c l a m p e d ) 多电平逆 变器，三电平逆变器时也称为中点嵌位( n e u r a l p o i n t - c l a m p e d 简称n p c ) 三电平 逆变器：2 ) 浮动电容器( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平逆变器：3 ) 逆变单元串联 ( c a s c a d e di n v e r t e r s ) 多电平逆变器。多电平结构主要用于中压大功率场台。 我国标准中压电压等级为6 k v 和l o k v ，若直接变频，即使采用4 5 k v 或6 k v 的 器件仍需串联，避开器件串联问题而采用多电平技术是一个较为合适的方案。例 如，采用g t o 器件的三电平变频器，g t o 电压、电流等级达4 s k v 一6 k v ，4 k a 一6 k a ， 浙江大学硕士学位论文 元件无需串并联，逆变器容量可达i o m v a ，可以满足大功率风机和泵的传动要求 1 , 2 大功率电力电子器件及其驱动的特殊性和重要性 电力电子器件是构成各种电力电子装置的核心元件之一，器件性能的优劣可 在很大程度上决定电力电子设备的技术经济指标。近几年来，电力电子器件的发 展很快，品种也很多，并已迅速向高耐压化、高频化、自关断化、复合化、模块 化、光输入化以及智能化发展，目前己形成单极型器件、双极型器件、复合型器 件和功率集成电路四大类。单极型器件具有输入阻抗高、快速、高频化等特点， 目前处于中小功率范围；双极型器件的特点是大电流、高电压、低损耗、处于大 功率范围；复合型器件兼有上述二种器件的特点，大功率、低驱动和高频化为主 要特点，这种器件目前得到飞速的发展；功率集成电路则是电力电子技术与微电 子技术相结合的产物，是指功率在1 w 以上，功能上具有逻辑、控制、保护、传 感、检测和自诊断的集成电路。它是信息与功率的合流，将成为传统工业“机电 一体化”的关键接口，在9 0 年代初已开始进入电力半导体器件市场【3 9 j 。 1 2 1 大功率电力电子器件 大功率的电力电子器件是中高压电力电子装置的核心部分，解决大功率器件 的驱动问题，对整个装置可靠运行起着至关重要的地位。目前，适合中高压电力 电子装置的功率器件有s c r 、g t o 、i g b t 等，最新发展的大功率电力电子器件还 有i e g t 、m t o 、i g c t ( g c t ) 、e t o 等等【4 0 】。下面分别介绍： a 普通晶闸管( s c r ) 普通晶闸管又称可控硅为一种双极型器件，它工作 于工频电网，采用自然换流的方法关断，具备快速开关特性。自1 9 5 7 年生产出第 一只晶闸管( 1 6 a 3 0 0 v ) 以来，其额定值已提高蛰j 3 5 0 0 a 6 5 0 0 v 和1 0 0 0 a 1 2 0 0 0 v 并正在向超功率级发展、晶闸管具有体积小、重量轻、效率高、反应快、 控制特性好、高压大容量、低损耗等优点。 b 光触发晶闸管( l a t t ) 。光触发晶闸管是近年来发展很快的器件，它用光 直接或通过光纤照射p n p n 四层管的中间那个p n 结，在空间电行区产生自由电子和 空穴对，在电场下形成触发电流。光源和晶闸管问是电绝缘的( 2 0 a m 长的石英光 纤耐压为8 0 k v ，8 0 c m 为3 0 0 k v ) ，可以直接用于高压系统中；此外，由于采用光信 号触发，抗干扰能力大为增强，简化了监控系统。提高了可靠性。目前l a t t 的水 平为3 5 0 0 a 6 0 0 0 v 和1 5 0 0 a 8 0 0 0 v ，主要应用于高压直流输电和静止无功补偿 方面 c 可关断晶闸管( g t o ) 。可关断晶闸管除了可以象s c r 一样利用正的门极触 发脉冲使其导通外，还可以在门极上通过加上足够大的负脉冲使其关断。所以， 浙江大学硕士学位论文 g t 0 在继承s c r 耐压高、容量大的特点外，又具有自关断能力的优点用于变流系 统不但结构简单、可靠性得以提高，且利于实现系统的小型、轻量、低噪声及高 效率化1 9 8 0 年g t 0 才在国际市场上出现( 1 0 0 0 a 2 5 0 0 v ) ，目前水平已达5 0 0 0 a 4 5 0 0 v 和2 5 0 0 a 9 0 0 0 v 。 d 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 。i g b t 是双极型晶体管( b j t ) 和m o s f e t 的复合器件，其将b j t 的电导调制效应引入至i j v d m o s 的高阻漂移区，大大改善 了器件的导通性，同时它还具有m o s f e t 的栅极高输入阻抗，为电压驱动器件。 开通和关断时均具有较宽的安全工作区，i g b t 所能应用的范围基本上替代了传 统的晶闸管( s c r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、晶体管( b 盯) 等器件。 目前，i g b t 已发展到第四代；西门子e u p e c 己可提供电流从l o a 一2 4 k a ， 电压范围为6 0 0 v 一3 3 k v 的i g b 磺块，以1 2 k a 3 3 k v i g b t 为例，其栅 极发射极电压仅为1 5 v ，触发功率低、关断损耗小、d i d t ，d u d t 都得到有效的 控制h ”。 e 集成门极换向晶闸管( i g c t ) 。i g c t 是在g t o 的基础上发展起来的新 器件，兼有i g b t 和g t o 两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为 理想的兆瓦级、中高压开关器件。i g c t 主要具有如下显著特点：a ) 基于晶闸管 的导电机理，与基于晶体管机理的i g b t 相比，通态压降小，电压高、电流大， 最大电流i t s m 和1 2 t 高；b ) 由于在阳极引入一缓冲层( b u f f e rl a v e r ) ，使得同样 阻断电压的i g c t 的芯片厚度减少3 0 ，从而使通态压降和开关损耗进一步降 低；同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小，电荷存储时间缩短至1 1 5 ，后沿拖尾电流减少2 0 倍；c ) 采用一种新的低电感封装技术，使得i g c t 在门极- - 2 0 v 偏置情况下，可获得4 0 0 0 a p 电流变化率；使得在大约l p s 的时 间内，将全部阳极电流经门极抽走，内部器件的一致性好，无须缓冲电路，低电 感封装技术也使得i g c t 在感性负载下的开通特性得到改善；d ) 由于i g c t 的 芯片厚度减小到和二极管相近，因而可以和反向续流二极管集成在一起，i g c t 结构简单的优点使得由其构成的电压型逆变器结构大大简化；e ) 由于触发功率 减小，可以把触发和状态监视电路同i g c t 管芯集成在一起：通过两极光纤输入 触发信号，输出工作状态信号，不但简化了电路设计，而且使得装置的可靠性大 大提高i i ； m o s 控制的晶闸管( e t 0 ) e t o 是一种m o s f e t 控制的晶闸管；所以既 具有晶闸管所具有高阻断电压、大电流密度和低通态压降，又具有m o s f e t 器 件的电压驱动、开关特性好等优点 9 3 。e t o 关断时存储时间只有大约l p s ；电 流下降时间大1 4 p s ，在高压场合开关频率可达几千赫兹。e t o 可在无缓冲电 4 浙江大学硕士学位论文 路的情况下可靠关断，但和其并联的反向续流二极管需要缓冲电路来限制电流变 化率。i g c t 需要门极驱动电路为其提供开通驱动电流和关断时的抽电流，所需 驱动功率比较大，特别是在频率较高的应用场合。e t o 不需门极驱动电路为其 提供关断电流，仅需要提供开通驱动电流，而且是供给位于门极和射极的两个 m o s f e t 管的门极，所需驱动功率非常小；所以e t o 非常适合于中高压、高频 率的应用场合。在调速领域，由于高次谐波会引起电动机发热和脉动转矩的产生， 提高开关频率是改善输出波形的主要方法；所以ge t o 会起到非常重要的作用。 理论和实际都表明，e t o 具有非常大的发展潜力l l 。 g 注射增强型门极晶体管( i e g t ) 。i e g t 是一种电子加强注入型绝缘栅极 晶体管：其栅极具有巧妙的沟状构造，采用i e 技术( i e ：电子加强注入) ，再加 上精密设计的特殊阴极结构，使它既能保持i g b t 的优良关断特性，又能使高压 情况下通态电压降低。i e g t 器件结构分为平板型和模块型两类，它们的耐压可 达4 5k v ，集电极电流最高可达1 5 k a c 平板型有直径8 5m m 和1 2 5m m 两种， 厚度为2 6m m ，主要应用于直流输电、无功补偿、轧机传动、电气铁道架空线 电源、电气机车电力拖动等；模块型面积为 1 4 0m mx1 3 0m m ，高为3 8 r a m ， 主要应用于轧机传动以及风机和泵类拖动。i e g t 具有低损耗、高耐压、能控制 大电流等特点，在电源电压为3 3k v ，关断电流为4k a 的情况下进行试验，与 g t o 相比，不仅省去了浪涌电路，而且关断时间只有g t o 的l 1 0 。 目前，6 k v 级i e g t 正在开发中，可以预测i e g t 器件将以其独特的技术性能 优势在高压大容量领域中发挥重要作用【4 “。 1 2 2 大功率器件驱动的特殊性和重要性 随着高压大功率电力电子装置的不断发展，各路串接在一起的驱动电源之 间，往往需要承受极高的工作电压。近来，多级隔离技术越来越多地被用在电路 的驱动系统中，以满足高隔离电压的需要；但同时这也使得开关管的驱动电路越 来越复杂1 1 ”。目前，大功率器件向着更高耐压等级的方向发展，这要求隔离驱动 电源具有更高的隔离电压等级；与此同时，在一个庞大的电力电子装置中，大功 率器件的数量也越来越多，从而要求隔离驱动电源具有多路输出的能力。为了整 个系统能够稳定可靠运行，首先要保证大功率器件隔离驱动电源的工作可靠性。 考虑到安装、散热等因素。希望驱动电源能做到高频化，小型化，简单化。 1 3 多输出高压隔离电源枚举 不同器件对门控信号都有自己的要求，若驱动电路所提供的信号不符合要 求，则很难使器件处于良好的工作状态，甚至危及器件的工作寿命。对于s c r 年i 浙江大学硕士学位论文 g t o ，它们都是电流注入型器件，因此我们所关心的是门极电流信号的大小，至 于门极电压信号的大小则是次要的了。由于这种器件四层结构的特点，器件在导 通初期，阳极电流将集中在门极附近，而后再逐渐向阴极整个结区扩展，直至全 面积导通。因此在器件导通的初期，门极附近将出现高电流密度区，致使该区温 度急剧上升，若此时的瞬时温度超过了硅的熔点，则将出现一次开通就烧毁器件 的现象。若一次开通未毁坏，则在流过器件的电流向整个阴极结区扩展过程中， 门极附近的电流密度会下降，结区温度也下降。也就是说，在器件开通过程中， 门权附近结区的温度是在剧烈波动的，从而导致该区的热疲劳现象，温度波动幅 度越大，热疲劳损坏得越快，致使器件工作寿命缩短。上述现象即是通常所说的 西击损坏。为了保证器件的长期工作寿命，因此规定了器件的临界电流上升率， 即器件的西讲耐量。对于使用者来说，应注意的是器件承受西西的能力同器 件的工作条件有关，特别与门极电流脉冲的波形有关。陡峭而又大的门极电流脉 冲信号将有助于发挥器件的耐魂破潜力，有利于提高器件的实际工作寿命。此 外，器件的西馥，耐量值还与重复频率以及断态电压有关。重复频率越高，出硪 值越小；断态电压提高，出击，值下降。对于g t o ，为了保证器件的安全关 断，对其门极负脉冲也有特定要求，否则器件最易在关断过程中受到损坏。s c r 器件门极驱动信号的最主要的要求是：门极脉冲电流幅值i g m 约为( 5 1 0 ) 器件静态触发电流值i g t 。门极电流上升率d t d i g 约为( 1 2 ) a u s 。 总之，不管使用什么样的器件，驱动电路设计得合理与否，对器件的安全工 作关系很大。对于它激电路，要考虑驱动电路的抗干扰性能，特别是来自驱动电 路电源变压器侧的干扰。此外，驱动电路的设计要同主电路杂散参数及浪涌吸收 电路参数统一起来考虑。 1 3 1 传统的多路输出技术 早期制作多路输出电源，人们往往将几个独立的d c d c 变换器装在一起，这 种方法所用的元器件最多，电源的尺寸也大，但电路设计简单，这种电源的缺点 是：由于各d c d c 变换器是独立的、若它们的振荡频率有差异，就会发生拍频 干扰，在输出电压上出现各振荡频率之差的纹波电压。一般需要一个专门的功能 电路来协调各个独立的d c d c 变换器模块口。 为了解决这一问题，人们设计了新的变换器结构，它只使用一个变换器，不 会发生拍频干扰，这在实际中具有极高的应用价值【2 2 j 。 实现d c d c 变换器的多路输出一般包含三个步骤口l j ： 1 ) 选择变换器的主体结构： 隔离式d c d c 变换器由于其输入输出端被变压器隔离，因此可以利用增加 6 浙江大学硕士学位论文 变压器二次绕组的办法实现多路输出，其中正激式和反激式变换器由于其结构简 单、可靠性高而获得了广泛的应用。在大功率场合半桥和全桥变换器，双正激变 换器等也经常被采用。 2 ) 确定变换器的控制变量： 这是变换器多路输出技术的核，c l 部分，因为控制变量的选择直接决定了多路 输出变换器的整体稳压效果。设变换器的输出支路个数为n ，控制变量个数为m ， 欲使每个输出都能精确调节，则必须m n 。 3 ) 确定各输出支路的稳压技术： 相对于不同的主体结构采用不同的稳压技术。 1 3 2 传统的高压隔离技术1 1 9 1 在上述的采用变换器多路输出技术的电源中，要实现高压隔离，必须要设计 出耐高压隔离电源变压器。高压隔离的要求给工艺和结构上都带来很大困难，要 解决这方面的问题，有很多重要方面需要注意。首先要保证绝缘强度，为了满 足耐高压要求，比如初次之间绝缘用2 8 层聚酰亚胺薄膜和2 8 层电话纸混合迭绕 绝缘。聚配亚胺薄膜是一种耐高温，耐高压，强度性能好绝缘材料，如果选用这 种材料，在厚度上考虑适当。初次级之问可以承受极高的耐压。其它的在线包结 构工艺，装配过程，灌注处理等诸多方面都有严格要求。如果要做到各路输出之 间的高压隔离，受到材料、温升、与其它参数的影响，变压器体积将会过大，成 本很高。已经研制成功的有利用一个多绕组的变压器实现t 4 路高压隔离输出的 驱动电源，并且成功应用在三相逆变器中，作为其中的大功率i g b t 的驱动板电 源。 常用的高压隔离技术有一下几种： 1 ) 原副边分开绕制变压器结构，这种变压器具有极高的隔离电压。采用这 种变压器的电源已被使用在i g b t 的门极驱动中，但是由于变压器的限制，他只 能有一路输出。 2 ) 无芯p c b 变压器，它的隔离性能可以由p c b 板的绝缘性决定。如果它 要传递能量必须工作在兆级的频率下，一般是都把p w m 信号经过高频调制，由 这种变压器传递到副边后再解调。无疑地，采用这种变压器的电源也只能有一路 输出。 3 ) 压电变压器，这种变压器不是采用磁能来进行能量转换后的传递，而是 机械的振动。由于采用了特殊的机械装置，它的原边能够把电能转换成机械振动， 传递到副边后再把这种机械振动转换回电能。压电电压器的隔离电压一般只有几 千伏，因此也不能满足超高压的工作状况。 7 浙江大学硕十学位论文 1 4 课题研究的内容和意义 本论文主要从以下几方面进行阐述： 一新型固态限流器及其多输出高压隔离驱动电源 这一部分主要阐述了固态限流器的种类及特点，着重分析了三耜固态短路限 流器的工作原理和特点，接着分析了多路输出高压隔离驱动的现状，并给出了用 于固态限流器的可控硅驱动的要求。 二新型电流泵的分析与设计 从分析电流泵主电路的工作原理入手，给出了适合于主电路的新的控制方 式，最后给出主电路的参数设计以及仿真及实验结果。 三电流泵负载谐振模式的研究 首先列举了各种谐振模式的电路结构，特别是电流源供电的情况。根据限流 器主电路的特点，引出了两种合适的谐振电路，分析了其工作原理，最后给出谐 振网络的参数设计及实验结果。 四二次侧隔离驱动模块的分析与设计 通过分析新型交流母线技术，结合固态短路限流器可控硅驱动的要求，给出 了合适的交流母线结构，从隔离变压器传递能量角度开始分析，对线性稳压和开 关型稳压两种转换电路进行了详细的分析，并给出了实验结果。 目前，在中高压大功率装置中，在需要隔离电源的地方，均设置独立的包括 原、副边电路的整套工作电源，有些电力电子装置使用带有电压泵的专用单电源 驱动电路，可以省掉复杂的多路隔离辅助电源，但由于这这种专用电路的局限性， 不能适用于高电压、大功率和其它有特殊需要的场合【2 3 。 本文以电力系统中的固态短路限流器为背景，介绍了新型隔离驱动电源用于 中大功率装置中的可能性及重要性。限流器的主电路就是一个典型的需要多路输 出驱动电源的高压大功率装置，并且各路输出之间要求有高压隔离。这是因为短 路限流器主要用在1 5 k v 的电力系统中【1 4 1 ，考虑到电源电压的波动，晶闸管阻断 电压限制和均压系数，固态限流器的晶闸管阈在实际中必须要用8 个6 k v 等级 的晶闸管串联来代替。这样使用在固态限流器中的晶闸管总数达到了6 4 个，至 少需要6 1 路有高压隔离性能的驱动电源用到这些晶闸管的门极驱动中。目前， 国内外还找不出一种合适的隔离驱动电源来满足这些要求，因此研制一种新型电 源来解决固态限流器中的晶闸管的门极驱动问题成为一个极为重要任务”。 通过克服传统驱动电源本身的某些不足，新型隔离驱动电源在中高压电力电 子装置中的应用有着很大的优势，特别是在减轻体积重量方面，容易实现微型化， 同时安装方便，绝缘强度高，有利于现场使用。结合微处理器的使用，使得装置 本身容易实现数字化和网络化。 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态限流器及其多输出高压隔离驱动电源 近年来电力电子技术以及大容量电力电子器件如s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等的 迅速发展和在实际系统中的应用，使得我们有可能探讨一种有效的技术措施，能 在故障情况下迅速将短路电流限制在远低于可能的最大短路电流值范围内( 限定 值可整定) ，以限制系统的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种电气设备的 负担，提高其动作可靠性和使用寿命，提高系统运行可靠性。另一方面，由于采 取新技术后能够有效限制系统的短路容量，因此有可能大大降低电网中各种电器 设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准，这将带来极大的经济效益 和社会效益。浙江大学有关人员经过积极探索提出了一种全新的固态短路限流技 术，它不仅能满足上述的理想限流特性的要求，而且还具有许多灵活的控制方式， 完全有条件开发成一种性能优良的短路限流装置。 2 1 新型固态短路限流器的工作原理 图2 - 1 三相桥式固态限流器系统电路结构 图2 1 为变压器耦合三相桥式固态限流器的原理结构示意图。控制系统根据 a c p t a c c t ，d c c t 及同步p t 的状态，经微处理器计算处理后输出8 个桥臂的相位触 发脉冲，实现对固态器主电路工况的控制。主电路中的晶闹管t 1 t 6 组成三相可 控换流桥，正常运行模式下，该桥工作在全导通状态：t 7 ，7 8 常导通并给限流电 感l d 提供续流回路，一方面使电感电流在理想条件下达到负载电流峰值，另一方 9 浙江大学硕士学位论文 面“短接”了换流桥直流回路，使耦合变压器副边等效于短接状态，原边压降等 效为“0 ”。 系统发生短路后，由于负载电压通过耦合变压器突然加到换流桥上，使得t 7 ， t 8 管其中之一或两个被迫关断，限流电感通过耦合变压器自动串入故障回路，从 而抑制了短路瞬间短路电流上升的速率。之后通过合理控制t 1 t 8 管的触发脉 冲，可以有效控制限流电感电流，进而达到限制系统短路电流的目的【4 ”。 2 1 1 新型固态短路限流器原理在单相电网中的应用 图2 2 即为单相桥式限流器工作的电原理图。 t 】 1 3 r l1 3 图2 - 2 单相桥式限流器 载 j2f ! f 】 f l一 t 41 1 图2 - 3 单相全控桥拓扑 l r 2 1 11 非故障限流时的工作原理 限流器正常工作时，首先需要对限流电感l 进行充磁，使其上的电流能达到 负载电流的峰值。启动充磁过程结束后，电感电流达到平衡值。在这个运行阶段， 桥路的四个晶闸管t l t 4 在除给电感充磁的短暂时间外全部导通，在每半个周 期内，绝大部分时间内限流电感i l 大于负载电流i ，只有在限流电感电流等于负 载电流的小部分时间内，限流电感串入负载回路充磁，这样会造成负载电流在峰 值附近的畸变，但因为限流电感在桥路上的损耗与电感本身的储能相比很小，所 以电感在每半个周期内串入负载回路充磁的时间较短，造成负载畸变也较小。 2 112 故障限流时的工作原理 在电网发生短路故障的条件下，图2 - 2 限流器工作等效拓扑与图2 - 3 中的拓 扑相同，此时对应图2 - 3 中的电阻r = 0 。当限流器进行短路故障定时限保护时， 在经过短路初期最多半个周波时间的不可控阶段后，通过控制电路的反馈调节， 使限流电感电流稳定在一个预设的水平。进入稳态限流后，控制桥式限流器触发 脉冲角在9 0 0 附近，使限流电感电流保持在预设值大小，也就可以使短路电流限 制在设定的水平。在实际应用中，为兼顾限流器下一级继电保护装置能正常工作， 1 0 浙江大学硕士学位论文 预设的短路电流应大于下一级继电保护装置能正常工作的电流阀值。 2 1 2 新型固态短路限流器原理在三相电网中的应用 2 1 2 1 三相接地系统短路故障限流器 i fjfjfj “ 歉 土 札兰! l q 7 、一 彳 。瞄 p jk i - a 4jpj 厂f 2 t l1 3t 5 卜 fj ， 一 fkj u 1 b ”, - 5 、秽j m 罴旷1 、s p 】pjp 图2 - 4 接地系统三相短路限流器 图2 - 5 不接地系统三相短路限流器 图2 - 4 所示为三相接地系统示意图，虚线框内为短路故障限流器主电路拓扑 结构，由可控硅t i t 8 和限流电抗器组成。u a 、u b 、u c 为三相交流电源，z a 、 z b 、z c 为三相负载。正常运行期间，t 1 t 8 触发脉冲常加，忽略电感和可控硅 上的内阻引起的功耗，则电抗器l 1 中通过的电流为恒定的直流电流，其数值等 于三相负载电流的最大值。因此，电抗器上无压降，无功耗。当系统中出现接地 故障时，电源电压经整流二极管加到限流电感上，引起电感电流的增加，当检测 电路检测到接地故障后，或封锁可控硅触发脉冲，或控制整流桥工作于有源逆变 状态，将故障电流切断。 2 1 2 2 三相不接地系统短路故障限流器 图2 5 所示为三相不接地系统示意图，在正常情况下，将晶闸管t 1 t 6 的 触发脉冲常加，相当于二极管工作。刚上电时，电感电流为0 。由于限流电感所 处的位置，其上只能承受上正下负的单向电压，所以当电感两端电压不为0 时， 电感电流就在电压作用下不断增加。当电感电流大于负载电流瞬时值时，电感电 流分成两部分：一部分通过负载，另一部分经过整流桥的上、下桥臂形成续流， 该过程周期性地进行，几个周期后，达到稳定工作状态，电感电流达到三相负载 电流的最大值，这个过程就是电源对电感的充磁过程。所以在稳态情况下，限流 电感中的电流为负载电流的最大值，限流电感两端电压为0 ，n a 、n b 、n c 点相 当于直接相连，若忽略可控硅的通态压降，桥路和限流电感的存在对负载无影响， 几乎无压降和功率损耗。当短路故障发生时，以a 、b 两相短路为例，u a - u b 通 过可控硅t l ，t 6 或t 3 ，t 4 加到限流电抗器上，电感电流在a 、b 两相线电压的作 用下上升，由于电感电流不会发生突变，使得a 、b 两相的电流及其上升速度得 浙江大学硕士学位论文 到限制。当系统检测到短路故障存在后，或取消可控硅的触发脉冲，或控制整流 桥工作于逆变状态，切除短路电流。由于可控硅为半控器件，只能在电流过零后 才能关断，所以关断过程不会引起过电压和附加振荡。 2 2 多输出高压隔离驱动电源的工作原理i o i 2 2 1 原理方框图 如图2 6 所示，用于固态短路限流器的多输出隔离电源包括；主电路( 1 ) 、 控制电路( 2 ) 、若干台变压器( 3 ) 、辅助电源副电路( 4 ) 及若干二次侧电路( 5 ) 。其 中主电路( 1 ) 又内含：整流电路( 6 ) 、辅助电源主电路( 7 ) 、恒流源电路( 8 ) 和开关 切换电路( 9 ) 。输入主电路的工频交流电经整流电路( 6 ) 整流成直流输给辅助电源 主电路( 7 ) 和恒流源电路( 8 ) ，恒流源电路( 8 ) 输出的幅值恒定的直流电流经开关 切换电路( 9 ) 变换成幅值恒定、方向周期性交变的方波电流加到若干台变压器( 3 ) 的原边，各变压器的副边绕组分别与用于整流、滤波、稳压的二次侧电路( 5 ) 相 连，控制电路( 2 ) 的电源由辅助电源主电路( 7 ) 输出的交变方波电压经辅助电源副 电路( 4 ) 隔离、整流、滤波、稳压后提供，该控制电路( 2 ) 输出的控制信号分三路， 其一路用于控制辅助电源主电路( 7 ) 输出交流方波电压，另一路用于控制恒流源 电路( 8 ) 产生幅度恒定的直流电流，还有一路用于控制开关切换电路( 9 ) 的开关切 换。其中虚线框内是电流泵电路。 ： i l i ，。 董 垂 羹- 7 j m l ! e l 黼糍鹚 鬯 匿穗 i i l 嗡_ ；l 璇魄灏；i 辫 鳓 紫辫_ ，翳绷女 翳瓣 。i 一_ 疆辩到 ， 蔻ii 避i黪 蔫j _ _。| l _ 。 j 辎鞠冀鳞霪j i 2 菇a y 糍囊燃1 ”i i i ； t| ；| ；| 溲壤粼；誓 r 懑颡灞= ；。_ i l i l i i + ；黉舔灏i 辩 夔绥剐。 蕾j ；。瓤一u - 爨 i 。i 戮。i 羹 熬“ i _ _ f 1 _ _ _ j i iz 一曩蓦l一一o i 鬻蓼簿鬻j i 豢嚣淄嘲。 薹浚铡? 氆 _ l 。獯瓣1 睡i 。 、 i i 鼯= 。j 甏| i ；辩。嚣i 隧j睡黪i i 瓣鼷黧誊1 浙江大学硕士学位论文 2 2 2 电流泵主电路的分析1 1 9 1 - _ q 韭 q 3i ； q 4 茫 品 i 划 划c l f - 、：r l l 3 、 l 1r c臼 j瓦 - f 叫 一 = c 。_ r 1 、o 刖 一 。2 _ 作 i d l o吣2 r 3刊与 。刘c 2 r _ 、：；r 2 【 图2 7 电流泵主电路 如图2 7 所示是电流泵的主电路拓扑。它由四个部分组成： 1 、第一部分是一个由四个二极管组成的单相整流器。它实现了整流电路( 6 ) 的功能：把输入主电路的工频交流电整流成直流电压。 2 、第二部分是一个半桥拓扑结构的电路。它主要由m o s f e t q i ，q 2 和电 容c l ，c 2 组成，实现了辅助电源主电路( 7 ) 的功能：把整流电路( 6 ) 输出的直流电 压，变换成交变的方波电压。 3 、第三部分是一个双b u c k 拓扑结构的电路。它实现了恒流源电路( 8 ) 的功 能：输出一个幅值恒定的直流电流i l 。由于这里采用的p w m 开关控制芯片是专 门为移相全桥变换器电路设计的，满足全桥变换器需要的四路4 8 d i 空比且两路 之间相移可调的p w m 驱动信号，通过简单逻辑组合( 逻辑与) 可形成两路占空 t t 4 8 内可调的p w m 驱动信号，所以恒流源的主电路采用了一个双b u c k 的电 路拓扑。这个双b u c k 变换器等效于两个普通的单b u c k 变换器的并联。 m o s f e t q 3 ，二极管d 1 ，电感l 1 组成了一个单b u c k 变换器；m o s f e t q 4 ， 二极管d 2 ，电感l 2 组成了另一个。这两个单b u c k 变换器分别由两路互补对称 的p w m 驱动信号控制。它们和电感l 3 ，一起组成了双b u c k 变换器。两个单 b u c k 变换器共同使用电感l 3 ，这样电感l l 和l 2 的体积和重量都可以减小。 4 、第四部分是一个单相的全桥变换器。它实现了开关切换电路( 9 ) 的功能： 把幅值恒定的直流电流i l 变换成幅值恒定、方向周期性交变的方波电流i 2 。q 5 和q 8 ( 或q 6 和q 7 ) 由同一个驱动信号控制，实现了同步开通和关断。 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 电流泵控制电路的分析 图2 8 各个m o s f e t 的控制信号 由于这个单相全桥变换器的输出为幅值恒定的直流电流，和电压型的全桥变 换器不同的是：为了避免由于单相变换器中的四个m o s f e t 同时关断引起的过 压，q 5 和q 8 应该在q 6 和q 7 开通以后再关断，反之亦然。q 3 ，q 4 和q 5 一一q 8 的控制信号如图3 6 所示：延迟时间为t o ，当q 6 ，q 7 开通且q 5 ，q 8 关断时，i 2 为正值。而当q 6 ，q 7 关断i 二i q 5 ，q 8 开通时，i 2 为负值。电流i 2 的波形是方波。 但是，要得到如图2 8 所示的控制信号，需要对现有p w m 开关控制芯片的 输出控制信号进行处理，且不能改输出控制信号的陡度和驱动能力，这会增加电 路的复杂性，进而影响电路的可靠性。这里在电路中增加了二极管d 3 ，它的功 能是箝制恒流输出型弼2 b u c k 变换器的输出电压，使它不超过整流器的输出电 压。这样，当四个m o s f e t 同时关断时，前级双b u c k 输出的直流电流i l 就会 通过d 3 回流到前级，使单相全桥变换器的输入电压不超过前级电压。由于p w m 开关控制芯片输出控制信号的占空比为4 8 ，因此对全桥变换器输出波形的影响 很小，完全可以满足我们的需要。 2 2 4 二次侧驱动模块的分析 二次侧隔离驱动模块如图2 - 9 所示，变压器原边交流母线流过高频方波电流， 原边只采用了一匝，副边为隔离驱动模块。变压器输出经过整流滤波成为恒定的 电流源，再通过并联型稳压电路将电流源转换为电压源，作为后级触发电路的功 率放大电源，光纤信号通过光电转换后，再通过信号放大整形后成为最后的驱动 信号。 1 4 浙江大学硕士学位论文 图2 - 9 二次侧驱动模块 2 2 5 实验结果及波形 实验参数如下：全桥电路的开关频率为l o o k h z ，负载为4 8 0 h m 2 5 0 w 的金 膜电阻。变换器输入直流母线电流为2 安培，负载上的电流波形如图2 一1 0 所示。 瓣f 瓣? 鼙 i f 4 u s ，格 图2 1 0 负载电流波形 可以发现