基于MOSFET的大功率快速放大器技术研究

许守东　陈勇　李胜男　何鑫　冯自权

摘要：目前变电站二次设备测试时主要采取分体测试，整体通流的方法。无法实现整体测试的原因主要受限于大功率电流放大器技术，一方面是因为放大器体积庞大，笨重，电源功率要求较高，变电站现场安装移动困难；另一方面是大电流输出幅值、负载、电流精度、电流响应速度不能满足要求。基于MOSFET的大功率快速放大器技术能够实现电流放大器2000A的电流输出，同时电流输出响应速度小于500us，体积小，重量轻，移动方便，使二次设备现场整体测试成为现实，对变电站调试检修具有重大的意义。

关键词：金属一氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）；大功率；快速；响应时间；整体测试

0引言

随着人们生活水平的提高，社会对电能的需求量也越来越大，电能已经成为人们生活和社会发展不可缺少的能源之一。目前，变电站的数量在不断增加，设备也在逐年增加，人们对变电站的检修和保养工作也越来越重视。但是我国所有变电站的二次设备检修方法粗放、效率低、针对性不强，这些都直接影响着电力设备的安全和供电的可靠性。尤其是近些年随着智能变电站的大力推广建设，二次设备之间采用虚端子连接技术，使得变电站二次设备的调试检修服务技术门槛大大提高，同时，调试检修工作强度和内容也增加了至少一倍，电力检修公司无论从检修人员调配还是检修服务已经很难把控，而二次设备检修不到位将直接威胁到电网的安全和可靠。所以，很有必要开发一种二次设备整体测试技术，从一次设备加量，实现二次设备整体测试。

二次设备整体测试是从电流互感器一次侧直接加量，模拟电网各种短路故障，实现变电站二次合并单元、保护装置、智能终端和刀闸断路器等整体测试的一种技术手段。要想互感器一次侧加量实现二次设备整体测试，大功率放大器是关键技术之一。本文主要介绍一种基于MOSFET的大功率快速放大器技术，通过研究电流影Ⅱ向速度对保护装置的影响，分析大功率快速放大器技术实现二次设备整体测试的可行性。

1电流响应速度对继电保护装置的影响

目前，继电保护装置大部分都使用暂态分量作为保护逻辑判据，在试验中需要模拟和确定电流突变量、电压突变量、频率突变量和阻抗突变量等。因此，继电保护装置装置所输出的突变量的上升速率（响应速度）即测试装置的暂态特性应满足继电保护测试仪器相关规范要求。在继电保护测试仪器相关标准规范中明确规定，继电保护装置测试仪器输出电流和输出电压的暂态响应时间应不大于100us。

现在变电站保护屏柜调试基本上都是继电保护测试仪的电流电压、开入、开出信号直接接到被测保护装置所在屏柜对应的端子排上，按照调试大纲或者说明书对各保护功能进行详细的调试。继电保护测试仪的电流上升下降时间小于100us，而在实际的各种电气设备故障时，故障电流流到保护装置小于10us，基本上都是瞬时的。而保护装置在瞬时性故障时，经过CPU处理和继电器的动作延时，基本上实际的出口时间也都大于10ms，所以测试仪电流响应时间的100us，对保护装置的测试没有影响。

继电保护测试仪器输出的是二次值的小电流信号，而实现一次变电站二次系统整体测试需要大电流功率放大器从互感器一次侧加量。受限于硬件产品性能等技术条件，目前大电流功率放大器电流上升下降时间最多可以控制在500us以内，而保护动作时间出口基本都在10ms以上，因此，理论上大电流功率放大器的电流Ⅱ向应速度为500us是可以满足现场使用要求的。

为了验证功率放大器电流响应速度为500us是否对保护逻辑判断产生影Ⅱ向，本文通过PN4661继电保护测试仪对国内主流继电保护厂家的RCS931线路保护装置进行相关模拟仿真试验。PN4661的电流精度为0.1%，通过更换内部电阻等部件实现电流上升时间分别为100us，500us，1000us和2000us，在不同电流Ⅱ向应时间下测试RCS931线路保护装置的差动接地距离保护、相间距离保护、纵联差动保护、零序过流保护和重合闸保护的出口时间，详细测试验证结果见表1所示。

从表1的测试仪输出不同响应时间下保护装置动作出口试验数据可以看出，随着继保测试仪器输出响应时间增大，保护动作出口时间也会逐渐增大。测试仪输出响应时间在1000us以内，对保护装置的动作逻辑出口时间基本没有影响，因此，500us的大电流功率放大器能够实现二次装置的整体测试。

2传统大电流放大器技术

目前变电站一次通流采用的大电流通常利用升流组合装置来实现，其工作原理见图1所示。升流组合装置由升流器组、电容补偿装置、电源控制系统及辅助设备构成。升流发生器跟高压电流互感器一样，实质就是一种双绕组降压变压器嗍。理论上原边和副边的功率相等，运行时原副边的电压与电流成反比。升流时，采取降低输出端电压来提高相关的负载电流，从而完成产生大电流的功能。

升流器的方法从技术原理上能够实现大电流的输出，但是其输出的电流不能控制其暂态变化，只能进行简单的通流试验。而且，该大电流升流组合装置还有以下缺陷：一方面，其输出电流波动大，无法满足电流精度测试的要求：另一方面，现有的大电流升流设备均配置在专用实验室内，由于要求有足够的容量，必须专线电源供电和固定使用，如将其直接用于大负荷大电流现场试验检测，存在着体积庞大无法运输、设备抗外力冲击性差、散热性能差、安装摆放场地受限、难以解决现场安全接线（地）和电源容量配置以及设备涡流损耗和温升现象严重等问题。

3基于MOSFET的大功率放大器方案

基于MOSFET的大功率放大器主要由MOSFET器件构成的逆变器电源模块和放大模块构成，其工作原理如图2所示。整体结构采用模块化分布方式设计，电源模块和放大器模块分开，其连接通过电缆分别连接，这样便于拆装移动。电源模块为单相放大模块提供100kW的供电电源，其采用MOSFET管作为整个供电电源开关驱动电路。放大器部分将采用两个功率放大器模块进行并联输出，其中一个功率模块提供输出的基波电流和谐波电流，并采用开关放大器的原理进行设计，减小设备的体积和重量，将此模块设为模块1：另一个模块提供暂态电流，将采用线性放大器的原理进行设计，将此模块設为模块2。模块1和模块2由主控模块控制同步输出，通过高速电流传感器输出不低于2000A的大电流。endprint

基于MOSFET的大功率快速放大器的整个工作流程为：100kW主变电源模块将380V的交流电转为放大器模块使用的直流电，通过电缆传输给放大器模块，从而驱动整个放大电路正常工作。主控模块通过光纤一方面传输同步控制信号实现各相功率放大器同步输出，另一方面传输数字输出信号控制各相功率放大器各相输出电流的幅值、相位和频率等。功率放大器的高速DA模块将主控模块的数字信号转为放大模块能够使用的模拟信号，通过功率模块1和功率模块2及其对应的高速电流传感器实现大电流的稳态输出和暂态控制，两个功率模块在输出端通过电缆并联，实现大电流同步输出。

4基于MOSFET的大功率放大器构成

4.1电源模块

目前功率放大器的电源模块通常采用双极型开关管的逆变器电路，基极驱动电流基本上为开关电流的1/B，因此要实现大电流开关电路必须采用多级放大，这样不仅使电路复杂化，可靠性也变差，而且随着输出功率的增大，开关管驱动电流需大于集电极电流的l/B，致使普通驱动IC无法直接驱动。虽说采用多级放大可以达到目的，但是波形失真却明显增大，从而导致开关管的导通/截止损耗也增大，而多采用MOSFET管作开关器件能很好地解决这个问题。MOSFET管漏一源极间导通电阻，具有电阻的均流特性，并联应用时不必外加均流电阻，漏源极直接并联应用即可。同时，MOSFET管是由电压进行控制，控制方式方便，且其具有输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低，体积小等优点。

电源的处理技术对整个设备的重量影Ⅱ向非常大，普通的工频变压器100kW功率等级的重量在300-500kg，如果我們采用工频变压进行降压隔离处理，那么电源部份就非常重，并且功率因数也较低，所以这种方式并不适用于现场的搬运和测试。因此，我们采用开发5-10kW的电源模块，多个电源模块进行并联使用的方法。考虑到设备并非工作在长时间连续的状态下，分布设计可以分散电源热量。同时，不必采用很大功率的器件，可减轻电源重量，提高电源的稳定性。另外功率小的电源开关频率可以做得相对较高，越大功率等级的电源开关频率越低。所以采用多个模块并联的工作方式将会大减小电源部份的重量。

4.2放大器模块

设定设备的带载能力50V，带载的峰值电压应该为50x1.414=70.7V，最大电流2000A，最大的峰值电流为2000x1.414=2828A，电流的上升时间最大为500us，我们可以推算出输出负载的最大电感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以设备输出的电感负载必须<12.5uH。输出负载的直流阻抗是根据输出线路的长短和截面面积决定的，为了减小重量，输出线路我们预设为lm，来回则为2m，纯铜线的电阻率为1.75x10m，输出线路采用200mm2，输出线路的直流阻抗R=1.75x10x5000x2=1.75x10，2000A的电流在直流阻抗上形成的电压Ul=2000Ax1.75x10=0.35V：50Hz的交流电，2000A基波电流在最大感性负载上形成的电压U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

所以基波2000A输出时需要的最大负载电压V=（0.352+7.852）112，U=7.858V：2000A基波带载能力应该>10V，为保证模块l的开关工作在大于80%的占空比，模块l的输出滤波电感可以确定为输出负载感抗的4倍左右，L=50uH。假定基波为0A时，IKHz谐波频率输出时的最大谐波电流应为I<100A；模块l的最小连续电流>6A，占空比为50%，开关频率暂设为100KHz。

因此，放大器模块l的主功率拓扑参数可以确定。采用全桥开关放大器，开关频率为100KHz，电源电压为80V，输出滤波电感为50uH。模块从0A到输出峰值的上升时间为t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模块2的主功率拓扑参数为也可以基本确定：采用全桥线性放大器，电源电压80V，0A到输出峰值电流的上时间为450us，模块2的输出时间t=2.45ms。模块l和模块2是并联工作的，输入的信号为相同的模拟信号，模块2提供初始阶段的暂态信号，当暂态信号输出完成，模块二停止，模块接续模块的输出，进行连续输出。

5结论

基于MOSFET的大功率放大器技术能够实现大电流的输出，可以暂态控制电流变化，电流输出Ⅱ向应时间快，精度高，不仅能够完成变电站通流试验，还能在互感器一次侧模拟各种短路故障，实现变电站二次系统整体测试。同时，采用分布式设计理念，电源供电模块与放大器模块分开设计，减少整体体积和重量，便于拆装移动，极大方便变电站现场调试检修服务。基于MOSFET的大功率放大器技术真正实现了变电站一次系统故障真实模拟，对变电站现场调试检修、电力科学院及高校和科研机构的电力研究有据大的帮助和指导意义。endprint