大功率斩波电源的高频振荡分析

初 蕊，陈元初，蔡宇峰，李 超，涂绍平，甘 幸



大功率斩波电源的高频振荡分析

初 蕊，陈元初，蔡宇峰，李 超，涂绍平，甘 幸

（株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲 412001）

大功率斩波等离子弧电源在基于IGBT斩波的超高系统集成频率下会产生较大的电压谐振导致熄弧，解决输出侧直流电压高频振荡提高输出电压特性，是一个技术难题。本文以某等离子弧电源项目为基础进行建模分析，进行仿真和试验验证。表明精确增加多级高频滤波电容即可有效改善高频谐振问题。

斩波电源 高频振荡 等离子弧

0 引言

现代煤化工是一种通过等离子弧高温使煤炭与工业气体发生化学反应的复杂过程，该系统中等离子弧电源是最关键的部分；等离子弧主要对电流非常敏感，斩波电源系统需要配置大电感（几mH到几十mH）来限制电流的波动，由于大电流电抗器在设计制造时存在较大的分布电容，在斩波电源系统中此分布电容与负载及线路的寄生电感会形成高频振荡形成反电势，此反电势也会造成等离子弧不稳定甚至熄灭。本文探讨如何解决这个高频振荡问题，使系统能正常运行。

1 斩波电源介绍

斩波电源是一种利用IGBT等器件的高频开关特性将固定的直流电压转换成可变的直流电压的一种变换器，有多种主电路形式；本文中的大功率斩波电源的功率单元采用的是一种BUCK电路，单个IGBT的开关频率为3 kHz，理想斩波电源的系统原理及输出电压如图1所示。

图1 斩波电源等效系统原理图

大功率斩波电源就是利用IGBT的高频特性设计的一种电压快速响应的等离子弧电源，通过配置大功率电抗器来提高输出电流的纹波特性和稳流特性。在工程应用过程中，由于大功率电抗器自身存在分布电容，负载及线路中存在寄生电感，在输出侧会形成高频振荡过电压，实际的电路如图2所示，输出波形如图3所示。该振荡电压可能会损坏开关器件，更重要的是会使等离子弧熄灭。

2 高频振荡分析

对大功率斩波电源进行简化后的高频振荡等效电路如图2所示。其中为大功率平波电抗器4 mH，C为电抗器分布电容约50 nF，为负载和线路的寄生电感约5mH，R为负载电阻约0.8 Ω。

系统输入电压为幅值E=810 V，频率=3 kHz，占空比40%的方波电压，如图3；其傅里叶展开式为：

其中：

为周期（即1/f），为整数。

由上述计算可以看到，0为恒定直流分量，公式剩余部分为交流分量；交流分量在分布电容和电感L之间形成串联谐振，谐振频率为：

所以系统谐振为高频振荡，特征频率为基波频率的整数倍时输出电压均有不同程度的电压谐振，交流分量的特征频率在谐振点时谐振电压最高；输出电压o为恒定直流分量和各特征频率下的交流谐振电压的复合电压。

根据串联谐振回路原理，输出电压为：

其中X，X分别为对应频率下的平波电抗器，负载及线路寄生电感的阻抗；X//C为平波电抗器和分布电容并联后的阻抗。采用PSIM软件对上述电路进行建模仿真分析输出电压o的波形，波形图如图3所示。

由上述计算和仿真结果可以看出，输出电压直流分量为324 V，振荡电压峰值约为1100 V，最小值约为-410 V，振荡范围约为±700 V。该大功率斩波电源的输出为高频振荡，振荡电压波动范围大，在输出侧呈现反电压；等离子弧负载在起弧阶段（见参考文献2）对电压要求高速响应同时不允许有反电势的情况，所以高频振荡会影响等离子弧负载的正常运行。

图2 大功率斩波电源原理

图3 系统输出波形及放大后的波形

3 高频振荡改善

以等离子弧做负载的大功率斩波电源主要是要求输出电流稳定；对于电压，要求在起弧过程中响应速度快，并且不能有反电势出现，否则会灭弧。根据以上原则可以选择高频滤波电容，电容值选择满足虑除高次振荡电压即可，电容值太大会影响直流电压的快速响应特性。

3.1 滤波电容计算方法

电容的滤波过程就是电容的充放电过程，如图4所示，在0-1时间段电容处于充电阶段，振荡电压峰值被抑制；电容充电过程如下式：

其中U0为电容的初始电压，取700 V（振荡峰值）；Uc取2倍直流分量值（确保谐振时不产生负电压）；R为回路充电电阻，取1 Ω；t= t1- t0≈1×10-7 s。计算得滤波电容约为80 nF。

同样在2-3过程电容处于放电阶段，抑制电压跌落趋势使电压波动限制在正电压范围以内。电容放电过程如下式：

其中0为电容的初始电压，取324 V（直流分量）；U确保不产生负电压即可，取50 V；R为回路放电电阻（负载），取0.8 Ω；=3-2≈1×10-7s。计算得滤波电容约为67 nF。

3.2 仿真分析和试验验证

通过上述计算，采用PSIM软件对大功率斩波电源系统进行仿真分析，仿真模型如图5所示，仿真输出波形如图6所示。从仿真结果可以看到加装高频滤波器之后，高频振荡电压的峰值由1100 V降低到625 V，谐振最低电压由-400 V升高到55 V；仿真结果与计算基本相符，也满足实际工程应用的要求。

在工程化应用中，普通薄膜电容不具备高频滤波特性，高压瓷介电容才能有效滤除高频谐波分量。该等离子弧用大功率斩波电源采用的是单个6.8 nF的高压瓷介电容多个并联配置方式，加装高频滤波支路前后的波形如图7和图8所示，高频振荡得到明显抑制，同时又不影响输出电压的快速响应能力。

4 结语

本文结合对电路的分布电容和杂散电感精确的建模计算，精确增加多级高频滤波电容即可有效改善高频谐振问题。通过计算仿真和工程应用对比，该方案可行且并确保项目顺利投产，本文提出的计算思路和解决办法对大功率高频电路应用有很强的借鉴意义。

图5 系统仿真模型

图6 增加滤波电容前后的输出电压波形

图7 未加高频滤波的电压波形

图8 加装高频滤波后电压波形

[1] 王兆安编著. 电力电子设备设计和应用手册[M]. 机械工业版社, 2008.

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Analysis of High Frequency Oscillation in High Power Chopper Power Source

Chu Rui, Chen Yuanchu, Cai Yufeng, Li Chao, Tu Shaoping, Gan Xing

( Zhuzhou CRRC Times Electric Co., Ltd, Zhuzhou 412001, Hunan, China)

TN751

A

1003-4862（2019）06-0017-03

2018-12-20

初蕊（1987-）女，工程师。研究方向：变流控制、测试技术。E-mail: churui@csrzic.com