探究有源电力滤波器的控制电源设计

刘 勇

（苏州工业职业技术学院,215104）

0 引言

控制器用电源和功率器件驱动电源是有源电力滤波器的主要部分，其中控制器用电源主要用于控制器、传感器和包括触摸屏在内的人机界面供电；功率用器件驱动电源顾名思义用于功率器的驱动供电。传统的有源电力滤波器以对负载电流和电源电压进行采样检测补偿的谐波分量，并获取电流基准为其主要的控制策略。但实际工作环境中有源电力滤波器系统对于供电的稳定性和可靠性要求非常苛刻，其中APF挂网运行必须满足电力系统，如控制电路和驱动电路要先上电等，的要求。而传统的控制策略因其计算量大、控制器复杂以及实时性差等原因已经不能满足有源电力滤波器的实际工作需求。如何有效的保障在电力系统故障出现时，电源系统能够有效的将APF从电力系统故障中切除，并具有自动启动有源电力滤波器的功能，成为本文探讨的一种重要方向。因此，有源电力滤波器的控制电源设计必须做到科学性和有效性。

1 电源设计

整个有源电力滤波器的电源方案包括驱动电源、控制电源以及驱动和控制电源的一次供电电路三部分。其中驱动板是驱动电源和驱动电路设计在一起的结合物，也是整个电源系统组成中的重要部分之一。控制电源有普通的开关电源组成，用于对控制器、传感器和包括触摸屏在内的人机界面供电控制和服务。一般而言，交流电网和有源电力滤波器功率直流母线双电源供电方式是初级电源所采取的方案。由于开关调制频率疋远大于电网频率和负载电流频率.因此可以假设在一个开关周期内负载电流不变，所以电源电流上升和下降的斜率近似等于APF交流侧电感电流的上升与下降斜率，顾此方案能够满足有源电力滤波器对控制电源稳定性的要求。

1.1 驱动电源设计

在驱动电源整体组成中，M57962L是功率器件IGBT驱动电路的重要核心芯片。为满足供电特点的需求以及IGBT驱动电路的特殊性，驱动电源需要为3桥臂的IGBT提供6路独立的26—30 V直流电。在系统运行过程中，稳压管分压起到在各路电源产生IGBT开通和关断需要的正、负电压，以确保驱动电源的有效运行。

驱动电源采用单端反激式DC∕DC变换电路。在整个电路中，电压输入和电压输出在电路、功能等方面相互切合，形成互相配合的整体。部分电压输出线路用于稳压管的分压，并相应产生正、负电压。个别电路输出用于稳压控制作用。为有效实现对输出电压以及初级电流的控制，一般采用脉宽调职芯片UC3844用于控制系统的芯片。输出电压通过电路反馈脉宽调制芯片的误差放大器以此实现稳压控制的目的。初级电流通过电阻采样，采样值输入到脉宽调制芯片UC3844的相应位置，实现电路峰值电流控制。此外，在驱动电源设计过程中，还采用由电阻、电容和三极管组成缓冲电路，能够有效的实现当开关状态转换过程中产生的尖峰电压进行筘位和吸收。

1.2 控制电源设计

在有源电力滤波器工作过程中，控制器需要的±15 V，±5 V电源、传感器需要的±15 V电源及触摸屏和接触器需要的24V电源全部是由控制电源提供。在控制电源使用过程中，必须保障控制电路先上电，以此完成对相关参数的设置和对开关器件的封锁，以满足有源电力滤波器对在电力系统出现故障时及时从电力系统中切除隔开，以及在排除电力故障后能够自动启动复用的要求。开关电源产生控制器和触摸屏等各个部件所需要的各种电源都能够从220V的交流电通过普通开关电源分流，由此在采用普通开关电源给控制电路供电时能够满足有源电力滤波器对电力系统稳定性的苛刻要求，同时节约了成本。

普通电源开关具有操作简便、制作和使用成本低，安全性和可靠性高等特点，而被用于控制电路供电，但当仅采用电网作为初级供电时，在遇到电网掉电或者电网电压瞬时值过低的情况西安，电路还需进一步改进，以满足特殊问题出现时的应急措施需求。

1.3 基于双电源的初级供电设计

上文提到当仅有电网供电时，出现电网掉电或者电网电压瞬时值过低的情况时，电路可能出现突发的问题。当电网突然掉电时，开关电源失去对电能的有效控制盒输入，输出电压瞬间降为零，最直接的后果是控制器因断电而无法继续对驱动电路进行控制。更糟糕的事情是此时的APF直流母线电压仍旧处于高压状态，上下桥壁会在驱动信号干扰功率器件后而出现同时导通，由此造成功率器的损坏。

而基于双电源的初级供电设计是指基于交流电网和APF功率直流母线双电源供电方案的一种方法，实践证明该双电源设计方法能够有效的克服上述突发情况。其基本的设计思路为交流电网和APF功率直流母线分工合作负责不同情况下的电路供电，电网主要负责在APF正常工作时控制电路供电，而出现供电异常后。截止功率器件的驱动信号。并将APF直流母线的电能通过DC∕DC电路回馈给控制电路和驱动电路。需要注意的是DC∕DC转换电路因其输出为直流电而不能与220V交流电直接并联，为此，通过设计二极管进行220V交流电整流，然后与DC∕DC转换电路因其输出为直流并联。

通常情况下，经过二极管整流并联后的输出电流在电容器上能够得到310V的直流电。在电路设计过程中，只要保障DC∕DC转换电路输出电压的正极能够通过二极管与电容的正极相对应，二者的负极直接相连，在DC∕DC转换电路输出电压小于电容的电压时，就可保障APF正常工作时，DC∕DC转换电路而停止工作。此外，由于电容器的存在，保证了在电网出现突然供电异常时，开关电源和驱动电源输入电压不会马上低于DC∕DC转换电路输出电压而造成，DC∕DC转换电路无法正常的发挥功能。在DC∕DC转换电路会在电容电压低于DC∕DC转换电路输出电压的情况下开始工作，控制电路和驱动电路会接受来自直流母线的电能，当电压恢复至安全值后，DC∕DC转换电路停止工作。

单端反激式变换电路是对DC∕DC转换电路在有源电力滤波器工作时的一种补充。DC∕DC转换电路的功能具有局限性，只能够在电网出现供电异常的情况下，为控制电路和驱动电路供电供电，导致其在实际工作中输出容量不足，效率低下的问题出现。与驱动电源相比，单端反激式变换电路的输入电压范围更广，对于工业电压等级的APF，直流母线电压在正常工作时约为750V。而电网断电后，直流母线电能回馈到控制、驱动电路，电压逐渐降至安全值，但DC∕DC转换器是否能在此过程中输出较稳定的约200 V直流电压成为未知数。对此需保证DC／DC变换器在断续电流模式(和连续电流模式(CCM)两种模式下都能安全工作。

对于工业电压等级的APF而言，对于DC／DC转换电路的开关器件的选择非常的苛刻，而在单端反激式电路中则能够轻易满足其要求。才外为满足DCM和CCM两种工作模式的需要，在单端反激式电路设计中变压器采用EC3521型磁芯、变比120:55:4，在整体电路中，个别输出电路用于电压反馈控制，此外，利用UC3844脉宽调制芯片的控制芯片实现对稳压控制和峰值电流控制的稳定输出。在设计中保障直流母线电压低于控制电压（约为180V），以此保证在驱动信号不确定或者缺失时而不至于损坏开关器件。

2 实验分析

选用磁芯EI33，频率40kHz.变比97:12:12:12:12:12:12:7，初级电感量4.2mH∕1kHz；APF功率单元为750V，输出电流60A的七路输出的多路变压器用于测试该设计的有效运行性能。实验过程中，在正常工作中APF的功率单元为750V，在正常运行过程中将电网电压突然跌至为0，其中DC∕DC转换电路的输出设定值为180V，DC∕DC转换电压在电网突然停电的情况下，开始工作，直流侧电能回馈到控制电路和驱动电路，经过一段时间后，直流侧电压降至安全值，DC∕DC转换电路停止工作。经现场进行调试验证，采用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式，未出现因电网电压故障而导致器件损坏情况的发生，此外在电网故障排除以后，有源电力滤波器(APF)能够有效的运行。实验结果表明：该电源方案，即该电源初级输入采用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式，其中驱动电源和直流母线反馈电源均采用单端反激式DC／DC变换电路。具有实现简单、工作可靠、成本低的特点。

4 结论

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)的控制电源包括控制器用电源和功率器件驱动电源两部分，对控制电源的要求非常的高，不仅需要其能够提供稳定安全的电压以供系统正常的运行，此外对于零器件的选择和使用上也要求求经济性和安全性，依据APF供电电源的要求，为IGBT驱动电源设计了一种基于单端反激拓扑的多路输出DC∕DC电源，为控制器选用了通用开关电源。该系统电源初级输入采用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式，其中驱动电源和直流母线反馈电源均采用单端反激式DC／DC变换电路。由本文的研究结论我们不难发现，采用用交流电网和APF功率直流母线双电源供电方式的电源初级输入，别且驱动电源和直流母线反馈电源均采用单端反激式DC／DC变换电路的有源电力滤波器对控制电源具有非常明显的优势，适合在电网，尤其是工业用电网中的推广应用，具有非常巨大的推广意义。

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