大功率DC電源(05-100)

　　十千瓦功率的開關電源在過去的幾十年正在慢慢地替代可控硅整流器(SCR)基拓樸，其優(yōu)缺點是顯而易見的。

　　開關電源的高頻工作使得磁元件的尺寸和重量減小并對線路和負載干擾有較快的響應時間。在低側，大功率開關電源對開關器件可靠性的要求比SCR基所對應的部件要小。

　　現(xiàn)在，大功率開關電源系用很多功率電路拓樸。最常用的配置包括如下3種功率轉換級：

• 　　AC-DC轉換器—把3相輸入電源轉換為一個DC電壓。
• 　　DC-AC轉換器蜒把DC總線上的電壓轉換為一個高頻AC電壓。
• 　　次級AC-DC轉換器—把高頻AC電壓轉換為DC電壓。

　　兩個AC-DC轉換器除工作頻率外其他功能是很相似的。轉換器主要的組成部分是：整流器、低通濾波器和緩沖器。緩沖器限制開關瞬態(tài)電壓和存儲在寄生元件中的吸附能量。

　　第2級的DC-AC轉換器產(chǎn)生一個高頻電壓(20KHz或更高)，通常用于驅動一個變壓器。變壓器用于電阻隔離和產(chǎn)生由變壓器匝數(shù)比決定的輸出電壓。DC-AC轉換器是最復雜的一級，而在產(chǎn)品中有很多的功率處理拓撲。

　　大多數(shù)大功率DC-AC轉換器為了激勵高頻變壓器都采用H橋配置(4個功率器件)。由脈寬調(diào)制(PWM)或其他調(diào)制方法控制H橋來產(chǎn)生限脈寬或限幅電壓。H橋調(diào)制產(chǎn)生一個可控輸出電壓。

　　DA-AC轉換器拓撲分為三種：硬開關、軟開關和諧振。這三種拓撲的主要差別是在轉換期間(開關轉換)開關器件的負載線路。在轉換期間，功率器件消耗大部分的功率。

　　硬開關轉換器可使功率器件和緩沖器吸收轉換能量。軟開關轉換器有另外的無源電路來整形功率波形以降低轉換期間的損耗。諧振功率轉換器具有調(diào)諧儲能電路，能使器件電壓或電流達到正弦。

　　硬開關，軟開關和諧振轉換器設計成由DC電壓啟動，通常稱之為電壓饋電轉換器。電壓饋電轉換器，其特性易于出現(xiàn)快速直通問題，在其他串聯(lián)器件導通前未能關閉時可能會出現(xiàn)這樣的問題。

　　可設計保護電路使災難性問題最小，通常這樣的保護電路在1~2祍內(nèi)必須有效地檢測快速直通問題。器件參量的變化和電壓饋電轉換器的不規(guī)則調(diào)制可導致半周期電壓不相等，引起變壓器磁芯飽和，保護電路也必須具有快速響應，以便在功率半導體器損壞能檢測這些條件。

　　電壓饋電轉換器的電孿生轉換器是電流饋電功率轉換器。電流饋電轉換器比電壓饋電轉換器優(yōu)越的地方是快速直通和半周期不對稱不可能導致器件失效或磁芯飽和。這是SCR基轉換器的特性和電流饋電為什么更耐用的一個主要原因。

　　電流饋電轉換器的主要缺點是需要一個第4功率轉換級把DC總線電壓轉換為DC電流。增加級數(shù)會導致附加的復雜性和損耗。由于成本原因，電流饋電轉換器拓撲實現(xiàn)起來比電壓饋電拓撲更少。

　　電壓饋電轉換器特性

　　圖1示出一個簡化的電壓饋電轉換器。這種轉換器包括：H橋，絕緣柵雙板晶體管(IGBT)Q1-Q4，電源變壓器T1和輸出整流二極管D5~D8。輸入電壓源可以是電池，DC電源或整流的AC總線。

 

　　圖1 電壓饋電轉換器

 

　　圖2 電流饋電轉換器

　　實際上，需要電容器C1來保證在較高頻率有一個低阻抗總線。電感器L1和電容器C2構成一個低通濾波器，以去除輸出的AC分量。

　　以通常的硬開關PWM方法，Q1和Q4在半周期部分導通、Q2和Q3在另一個半周期部分導通。這同樣地激勵變壓器T1交替半周期。變壓器次級上的平均整流電壓正比于IGBT的導通周期。電壓饋電轉換器的定時是關鍵。假若IGBT的Q1和Q2或Q3或Q4同時導通，則導通器件中的電流迅速上升，導致器件在幾微秒失效。為了避免這種危險的工作條件，設計人員在調(diào)制電路中引入導通延遲，監(jiān)控DC總線電壓并感測功率器件的導通條件。

　　為了成功實現(xiàn)這種方案，電路必須能響應高速故障和對電噪聲不敏感。在功率為幾千瓦時這是難于解決的問題。

　　電壓饋電轉換器的另一個問題是由導通電壓變化，上升和下降時間的差別以及錯誤的開關轉換狀態(tài)所引起的DC電壓。用直流電壓激勵變壓器，會導致磁芯飽和和功率器件失效。避免嚴重事件的典型方法是在變壓器中有空氣隙，加入與變壓器初級線圈串聯(lián)的DC隔直電容器以及逐周期電流平衡采用電流模式調(diào)制。