高压直流宽范围输入辅助电源设计

许继电源有限公司　袁顺刚　常志国　张　滨　刘振威

许继昌南通信设备有限公司　刘玉琦

引言

辅助电源系统存在于任何能量变换装置中，在高压柔性直流输电系统中，其核心组件换流阀，需要为换流阀的控制与驱动电路提供稳定的辅助电源。为了降低电磁干扰，简化进线线路等问题，辅助电源的输入将直接从单个阀体的直流母线上取电。为了保证系统安全、换流阀的稳定可靠，要求母线电压在较低情况下控制与驱动部分能够正常稳定工作，即要求辅助电源尽可能在较宽范围内工作。查阅关于高电压、宽范围输入的辅助电源资料，目前国内外研究较少，比较集中在1500V以下。对更高电压、更宽范围的辅助电源很少研究[1][2]。本文从实际应用出发，设计出一款高压辅助电源产品，给出了具体设计参数、实验数据与波形。

1.方案设计

在张北±500kV架空线柔性直流输电换流阀工程中，对辅助电源提出320～3600V范围内可正常工作、输出功率88W、高可靠性、多保护等要求。针对其特征小功率、宽范围，选择使用反激电路拓扑。

反激拓扑电路简单、元件数量少、体积比较小、成本较低，可实现输入与输出电气隔离，具有安全、可靠性高等优势，被广泛应用于各种辅助电源和小功率电源中[3]。其电压范围广，适合各种不同电压等级场合。在反激拓扑电路中单端反激变换器，其开关管关断电压应力较大，难以试用较高输入电压的场合，而双管反激变换器的主开关电压应力仅为输入电压，并且漏感能量可回馈到输入母线，无需增加任何吸收电路，因次对比单端反激，双管反激的整机效率比较高，其非常适用于较高输入电压和性能要求的场合[4][6]，故本设计的高压输入辅助电源将采用双管反激拓扑结构。反激拓扑电路原理图如图1所示。

图1　双管反激拓扑结构原理图

基于此原理图，使用双管反激拓扑，对输入电压范围320～3600V、输出电压 220V辅助电源进行了设计研究。本文通过对辅助电源主电路及控制电路详细设计方案、关键器件的选型、电压环路设计来保证宽范围输入电压实现、高压隔离的实现和双管高压隔离与同步驱动电路功能实现。通过样机调试过程中，进行典型输入电压、低压启动与带负载情况等试验，对设计的双管反激辅助电源进行了实际验证。EMI滤波然后经过升压电感功能[5][6]。

2.电路设计

2.1　主回路设计

该辅助电源主电路主要由欠压启动电路、输入保护电路、主电路、高频变压器、整流输出电路、辅助供电电路和采样反馈电路等七部分组成，如图2所示。

图2　辅助电源主电路

2.1.1控制芯片选择

根据设计要求、母线状态、工况温度等综合考虑，本设计主控芯片选择使用TI公司生产的UCC38C44芯片。该芯片是电流控制型PWM调制器，采用BiCMOS工艺，具有较低的功率消耗，有效提高工作效率。芯片内部电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器、电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。较少的外部电路，能获得成本效益高的解决方案与可靠性能。芯片提供8脚双列贴片塑料封装，可减少PCB布板面积。

2.1.2MOS管的选取

MOSFET是辅助电源核心器件，通过驱动电路的PWM对其进行通断控制，将母线直流电转换成高频脉冲电压，为了保证工作在最高电压下D-S之间不被击穿，考虑设计1.5倍的裕量。此时应有：

根据计算结果，其中Vin为单个MOS管平均电压，n为原副边变压器匝比，Ipk为峰值电流。计算过程中需要考虑，双管不均衡现象、峰值电流、电压尖峰等，最后选择选用IXYS公司生产的型号为IXTF1N450的MOS管，其耐压为4500V，导通电流为1A。

2.1.3输出整流二极管选取

当开关管关断时，副边电流流过功率二极管，此时Vds承受最大反向压力。需要考虑三个方面的因素，额定电压、额定电流、反向恢复时间，考虑设计1.5倍裕量选取整流二极管。

二极管的额定正向电流Iave，一般情况下一个3A的普通二极管在100℃时，输出电流只有0.4A，本产品采用型号为F10F150S二极管，两颗串联，其反向恢复时间为170ns。

2.1.4变压器计算

在反激电路中变压器是主要的能量转换器件，起到电能存储、变压变换、原副隔离三重作用。

原边电感量：

为了改变输出电压质量，减少漏感引起的尖峰震荡与输出纹波，变压器采用夹层绕制工艺（三明治绕法）。

2.2　功能电路设计

2.2.1辅助供电电路设计

反激变换器中，辅助供电绕组是给芯片提供稳定电源的作用，为了保证电压在比较低的状态下能够正常启动，辅助绕组设定电压要高于芯片的工作电压，因此需要增加一个线性稳压电路保证芯片在低电压情况下的正常供电。如图3所示：

图3　辅助稳压供电电路

辅助电源在芯片启动之后，输出建立，辅助绕组开始工作，之后芯片电压将由该部分电路进行供电。具体工作原理如下：当电容C8两端有电压，电压接近稳压管D7稳压值时，由于稳压管接在Q5基极，输出电压升高Q5导通，为C9充电，VCC电压稳定，达到稳压的效果。

2.2.2电压环路设计

次级电压环路采用稳压器件TL431作为基准和反馈误差放大器，采样输出，并产生相应的误差电压基准源，该误差电压通过高压隔离光耦CNY64转变成误差电流，耦合到初级中，进入控制芯片UCC38C44的输入VFB脚。UCC38C44通过此信号输入，产生相应的占空比信号来控制功率开关时间。在设计中运用了TL431内部的反馈运算放大器，所以在光耦接UCC38C44时，不使用芯片的内部运放，把误差输入接UCC38C44内部运放的输出端，该设计可以把反馈信号的传输时间缩短，使电源的动态响应更快，保证了随负载变换时输出电压稳定[7]。电压环路原理如图4所示：

图4　电压环路原理图

2.2.3保护电路设计

该辅助电源给高压柔性输电系统核心组件换流阀控制部分供电，在遇到意外事故及恶劣环境条件下，保护电路功能是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。保护电路是否完善并按预定设置工作，对电源装置的安全性和可靠性至关重要。确保直流开关电源的正常工作，反激辅助电源中母线电压过压及欠压不稳定对电源造成的危害，主要表现在器件因承受的电压及电流能力，超出正常使用的范围而损坏，同时因电气性能指标被破坏而不能满足要求。

欠压启动电路如图2中区域A所示。图中母线电压经过启动电阻R-S进行分压后给VCC充电，VCC为芯片供电电压，D3为稳压二极管，通过电阻R4、C7、D3控制三极管Q3的B极电压值，电压低时Q3三极管导通，芯片不工作，母线电压抬升，Q3的B极电压值升高，Q3三极管截止，VCC电容进行充电，芯片可以进入启动工作状态。

过压保护电路如图2中区域C所示。图中2PIN为主控芯片电压保护输入端，通过分压电阻R-T与R9进行分压得到一个采样值进入控制芯片进行比较计算，R8与R9、Q4组成了一个简易的带滞回功能过压保护电路。

3.实验结果验证及分析

根据上述的电路设计方案，制作出320～3600V输入/220V输出，额定功率88W双管反激辅助电源样机，并进行了自测，验证设计。产品样机如图5所示：

图5　电压环路原理图

实验使用测量仪器有横河DLM2024示波器、安捷伦数字表Agilent 34401A、艾德克斯电子负载。实验验证输入电压与输入电流、低电压启动、上下MOS驱动同步和不同负载等级下输出技术指标。

（1）驱动输入端与上下管波形如图6所示：

CH1通道驱动输入端波形，CH3通道上管驱动波形，CH4通道下管驱动波形。

图6　驱动输入与上下MOS管波形

（2）启动波形如图7所示：CH1输出电压波形，CH2母线电压波形，CH3芯片供电脚VCC波形。

图7　启动波形

（3）满负载短路试验波形如图8所示：CH1输出电压波形，CH2母线电压波形，CH3芯片供电脚VCC波形。

图8　满载短路波形

4.结束语

本产品基于双管反激电路拓扑，使用UCC28C44控制芯片，给出详细的电路设计方案，制造样机，进行详细测试，验证了双管反激辅助电源方案适合宽范围高电压输入场合，圆满完成了本产品设计的任务。该电源具备结构简单，可靠性高，输出稳定等优点，具有良好的市场前景。

[1]Petar J,Grbovi´c.High-voltage auxiliary power supply using seriesconnected mosfets and floating self- driving technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(5):1446-1455.

[2]Torresan H D,Holmes D G.Auxiliary power supplies for high voltage converter systems[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004: 645-651.

[3]刘计龙,杨旭,赵春朋,安昱.用于高压电力电子装置的辅助电源的设计[J].电源学报,2012(01).

[4]闫福军.宽电压输入反激式开关电源的研究[D].西安:电子科技大学,2010.

[5]闫福军,梁永春.一种光伏发电系统中辅助电源设计[J].电力电子技术,2010(08).

[6]Christopher P.Basso.开关电源SPICE仿真与实用设计[M].北京:电子工业出版社,2009.

[7]韩林华,吴迺凌,史小军,朱为,堵国梁.反激开关电源中基于PC817A与Tl431配合的环路动态补偿设计[J].电子工程师,2005(11).