固态开关的多路输出高压隔离供能电源研究

方春恩，薛涛，付旭辉，李伟，陈军平

(1.西华大学 电气与电子信息学院，成都 610039；2. 成都旭光电子股份有限公司，成都 610500)

0 引 言

近年，能源问题已成为制约中国经济快速发展的重要因素。世界能源发展的一个大趋势是朝着发展可再生能源的方向迈进，这是解决我国能源资源分布不平衡，电力供需紧张，实现经济可持续发展的必然选择。因而建设高压直流电网具有重要意义[1-5]。直流电网的电力电子装置中会串联多个固态开关器件以增加耐压能力，因此多路输出是供能电源的必然要求。同时，各个器件的门极驱动供能电路之间需具备高电压隔离能力。

国内外学者对串联固态开关器件的驱动供能问题提出了各种方案，一些常规方案很好的满足了高电压隔离的要求，适用于需要隔离输出路数较少的场合[6-10]。但由于体积和输出路数的限制，难以满足固态开关串联所带来的需大量隔离供能电源的问题。文献[11-12]提出了串联型交流母线思想，引入串联谐振网络改善母线电流波形，但当负载发生大幅度变化时对交流母线上的输出电流影响较大，稳定性不足。文献[13]中的多路输出隔离供电系统采用了反激式变换器拓扑，实现了20路输出，隔离电压可达30 kV，但因母线仅有一匝穿过取能磁环，采用反激式供电电路会导致母线电流的奇次谐波含量增加。文献[14]研究了用于IGBT门极驱动的电源，中间级采用了LCL谐振网络以改善输出电流波形。其不足之处为取能模块的电流传递效率不高，不适用于驱动电路所需功率较大的场合。

本文在此基础上，对基于LCL恒流特性的固态开关门极驱动供能电源做了详细探讨和分析，给出了该电源的功能要求和设计方案，进一步发展和完善了这种驱动供能电源。

1 电源系统架构

图1所示是用于直流断路器的固态开关门极驱动供能电源的系统架构。该系统主要由以下3个模块组成：

图1 多路输出高压隔离供能电源Fig.1 Multi-outputs high-voltage isolated power supply

1)AC/DC模块，包含EMI滤波器、整流桥、功率因数校正电路。该模块将工频市电变换为稳定低纹波的直流电压。

2)DC/AC模块，包含有全桥逆变器、LCL-T谐振网络。该模块将前级输出的直流电压转换为高频交变恒流源，同时实现开关器件的软开关以减小损耗、提高效率。

3)高压隔离和供能模块，包含高频电流母线、取能磁环、整流滤波稳压电路和光纤隔离。取能磁环从高频交变恒流源母线上拾取功率，实现电压隔离和多路输出；整流滤波和稳压电路将取能磁环输出的高频电流变换为5V稳压电源供门极驱动电路使用；再结合来自光纤隔离的控制信号驱动固态开关器件。

该电源具有以下优点：

1)高电压隔离性能。母线电缆和取能磁环起到传递功率和实现高压隔离的作用。

2)可靠性高。级数少，硬件和控制电路简单。

3)零电压开通。通过LCL-T谐振网络参数的合理设计，使全桥逆变器的开关器件实现零电压开通(ZVS)，降低开关损耗。

4)母线电流恒定。采用LCL-T谐振网络，使母线电流与负载无关，即便后级的取能模块出现短路故障，也不会产生过大的短路电流，该电路具备抗短路特性。

5)扩展性好。由于使用磁环从电流母线拾取功率，因此各个后级模块位置可任意布置，后级模块的数量也易于增减。

2 拓扑和原理分析

2.1 电路拓扑工作过程

全桥LCL-T谐振电路拓扑如图2所示。谐振网络由电感Lr、Lk和电容Cr组成。直流电压经全桥逆变器后得到高频方波电压并输入到谐振网络，经谐振网络后输出有效值恒定的正弦电流。谐振网络输出电流再经高频变压器TX转换后输出到电流母线，取能磁环从电流母线上拾取功率从而实现多输出与电气隔离，最后通过稳压电路得到直流电压。

图2 电路拓扑Fig.2 Topology of circuit

LCL-T谐振网络工作在谐振点时，LCL谐振变换器的工作波形如图3所示，此时开关管门极控制信号占空比接近0.5。

图3 全桥型LCL-T谐振变换器工作波形Fig.3 Waveforms of LCL resonant converter

1)t0≤t

2)t1≤t

3)t2≤t

4)t3≤t阶段。下半周期波形与上半周期工作波形同理，不再赘述。

在样机电路设计过程中，逆变器的开关管在交替导通和关断时需要考虑一个合理的死区时间。死区时间太小不能实现开关管零电压导通，开关管的开关损耗会增加，而且容易出现上下桥臂的开关器件直通现象。而死区时间太大，虽然全桥逆变器能够安全的工作，但会使得逆变器的输出性能降低。

2.2 LCL-T谐振变换器原理

运用交流分析法[15-17]，由谐振电感和电容组成的谐振网络等效电路如图4所示，谐振变换器后级的多路输出整流滤波和负载电阻使用等效负载Rac替代。假设从输入到输出的功率传递仅由基波分量作用，忽略谐波的影响[18]，则全桥逆变器输出方波电压使用正弦基波分量替代，其有效值为U1，计算表达式如下：

图4 谐振变换器等效电路Fig.4 Equivalent circuit of resonant converter

(1)

式中：n1为高频变压器TX的原边与副边绕组匝比；n2为取能磁环原边与副边绕组匝比；N为电流母线穿过的取能磁环个数；Uin为输入电压幅值。

定义谐振网络的特征阻抗和品质因数分别为：

(2)

每个单路输出的电流增益和电压增益定义为

(3)

式中Iout为每路输出的电流。

电流和电压增益可表示为：

(4)

(5)

当ωn=1时,电流增益为

(6)

由式(6)可知电流增益与负载大小无关。图5为变换器电流增益曲线。当工作在γ=1和ωn=1的谐振点时，LCL-T谐振变换器的输出电流与负载无关。

图5 变换器电流增益曲线Fig.5 Current gain curves of the converter

设计运用LCL-T谐振变换器恒流特性，使变换器工作在ωn=1的谐振点处，则谐振电感Lr上的电流为

(7)

设基波电压u1的初始相角为0°，即逆变器输出端的电压相角δv=0°，则输出端的电压与电流相位关系为

(8)

(9)

当γ<1，即Lk略小于Lr时，逆变器输出电压相位超前于电流相位，逆变器的开关管内部反并联续流二极管在每个周期时先于开关管导通，从而实现开关管的零电压导通(ZVS)，降低开关损耗。

2.3 LCL-T谐振网络优化分析

LCL-T谐振网络中磁性元件会占据电源系统的一定体积，而磁性元件的功率处理能力与其体积大小有关。为了实现电源的小型化，在满足一定功率处理能力的条件下使谐振电路中磁性元件体积尽可能小，需要对磁性元件进行优化设计。因此，将LCL-T谐振网络中元件工作时的总视在功率与有功功率的比值(kVA/kW)作为衡量谐振电路物理尺寸的指标。

对LCL-T谐振网络进行优化分析时，假设谐振网络输出端的高频变压器TX和取能磁环的匝比都为1，同时电流母线穿过的磁环数量N也为1。定义以下基本量：

(10)

当ωn=1和γ=1时，可推导出谐振网络电压增益、电流增益，以及谐振电感、电容两端电压与电流的标准化表达式如下：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

由式(11)～式(17)可得(kVA/kW)的表达式

(18)

作式(18)的曲线如图6所示。当ωn=1和γ=1时，可知存在一个极值点Qext，使(kVA/kW)的值最小，计算可得Qext=8/π2。这个品质因数点对谐振网络的设计具有重要意义，满载时尽可能使Q接近于Qext，可优化磁性元件的体积。

图6 功率比值与品质因数的关系Fig.6 (kVA/kW) rating as a function of Q

3 样机设计

针对固态开关门极驱动要求，在满足隔离电压等级为10～35 kV的条件下，对基于LCL-T恒流特性的固态开关门极驱动供能电源进行设计。

3.1 LCL-T谐振网络参数设计

根据式(4)可知，将LCL-T谐振变换器作为恒流源使用时，需使ωn=1和γ=1。为兼顾谐振变换器的效率、体积和恒流特性，参数设计中满载时取Q=8/π2，同时需考虑高频变压器匝比n1和取能磁环匝比n2及取能磁环数量N，计算可得

(19)

由全波整流可知多路隔离模块输出电流为

(20)

由式(19)和式(20)可得：

(21)

(22)

由式(22)可得谐振网络中的电感与电容值分别为：

(23)

为使全桥逆变器开关管实现零电压导通，应当使电感Lk的电感量小于Lr的电感量(即γ<1)，但γ的取值不能太小，γ太小会导致3次谐波电流激增。谐振电容的选取应符合耐压要求且本身无感的聚丙烯电容，其具有良好的频率特性，安全可靠。

3.2 磁性元件的设计

在整个电源系统的设计中，磁性元件好坏对电路的正常工作和各项性能指标起到至关重要的作用，磁心元件的设计是一个寻求最优体积与损耗的过程，从而制作出符合电源系统要求的磁性元件。

1)谐振电感设计。

电感设计时需考虑电感量、电感两端电压、工作磁通密度、频率和温升等因素[19-20]。根据技术指标采用面积乘积法对谐振电感进行设计，磁心的伏安能力与其面积乘积的关系可表示为

(24)

式中：Pt为电感的视在功率；Kf为波形系数；Ku为窗口利用系数；BAC为工作磁通密度；f为工作频率；J为绕组中电流密度。设计方案中选用TDK公司的PC40材质EE35磁心，该磁心材料具有相对磁导率适合、损耗系数低、良好的温度特性等优点，普遍应用于开关电源领域。

2)变压器设计。

变压器的设计包括隔离变压器TX和取能磁环。变压器TX的设计同样采用面积乘积法，选用TDK公司的EE40铁氧体磁心。变压器TX不仅起到电压隔离的作用，还可调节谐振网络输出电流。

取能磁环的设计是关键，图7为取能磁环示意图。取能磁环的设计类似于电流变压器，采用环形磁心，由一条高压电缆穿过取能磁环，磁环的副边均匀绕制几匝。该方式对磁心的选择有一定要求，磁心材料需具备高磁导率、低磁心损耗、一定的功率处理能力、低温升等。

图7 取能磁环示意图Fig.7 Diagram of magnetic ring for picking up power

对于原边仅有一匝的磁环，原边励磁电感为

(25)

式中：μ0为真空磁导率；μ为相对磁导率；S为磁心截面积；λ为磁心叠片系数；l为平均磁路长度。

较低的磁导率会使取能磁环原边励磁电感较小，从而导致原边励磁电感对母线电流的分流作用增强，降低取能磁环效率。

铁基纳米晶材料具有较高的磁导率和饱和磁感应强度，相比于使用铁氧体磁心，其有利于提高效率和缩小磁心体积。因此，选用铁基纳米晶材料作为取能磁环的磁心材料。

3.3 高压隔离与取能模块

供能电源的高压隔离方法区别于传统隔离方法。通过取能磁环在电流母线拾取功率从而为多个驱动模块提供驱动功率，其电压隔离能力取决于母线电缆外绝缘层的绝缘能力[21]。

由于取能磁环从电流母线取出的是交变电流，传统的电压型稳压电路不再适用，因此采用电流输入型线性稳压电路方案。高频交变电流经过整流、滤波和稳压变换为一路隔离驱动电源，电流输入型稳压电路原理如图8所示。R1起限流作用，由TL431和电阻构成稳压电路，R5、Q和MOSFET组成旁路电路，当输出电压超过稳压值时，TL431使Q导通，进而使M导通，起旁路电流的作用，使输出电压降低。当输出电压小于稳压值后，M关断，输入电流为电容Co充电，输出电压上升。如此循环，最终起稳定输出电压的作用。该电路结构简单、性能可靠。

图8 线性稳压原理图Fig.8 Linear voltage regulator circuit

4 实验结果

为验证提出的多路输出高压隔离驱动供能电源方案有效性，试制了一台具备12路输出、工作频率为40 kHz，输入电压Uin=120 V，每路输出电压uout=5 V、每路额定输出功率Pout=5 W的实验样机。系统主要参数如表1所示。

表1 系统主要参数

图9为根据设计要求搭建的电源实验平台，可以看出该多路输出高压隔离供能电源具有结构简单、扩展性良好等特点。

图9 电源系统实验平台Fig.9 Test bench for the power supply system

图10(a)、图10(b)为工作在谐振频率点时，全桥逆变器输出的电压和电流波形。可知电流相位滞后于电压相位，从而实现开关管的零电压导通。

图10 逆变器输出端电压电流波形Fig.10 Output voltage and current of the inverter

图11为逆变器输出端电压和谐振网络输出电流(即流过电感Lk的电流)，电流峰值与理论计算相符合，为3 A。

图11 逆变器输出端电压和谐振网络输出电流波形Fig.11 Output voltage of the inverter and output current of LCL-T resonant tank

图12为多路输出时谐振网络的谐振电容Cr两端电压波形，其具有良好的正弦性。

图12 多路输出时谐振电容电压Fig.12 Resonant capacitor voltage at full load

图13是单路和多路输出时的母线电流波形，谐振网络的电流经匝比为5的高频变压器TX转换后输出到高压母线电缆。从波形可知多路输出时母线电流仅发生轻微畸变，母线电流峰值为15 A。

图13 母线电流波形Fig.13 Current on the bus

图14为轻载、半载和满载时的母线电流谐波分析，其中3次谐波含量最高，在不同负载情况下，母线电流总谐波畸变率均低于7%。

图14 母线电流谐波分析Fig.14 Harmonic analysis of bus current

图15为母线上取能模块的磁环副边电压和电流波形。图16是线性稳压电路输出电压uout及其纹波波形，该模块能够稳定的输出5 V，且纹波峰-峰值Δuout约为30 mV，输出电压纹波系数低于1%。

图15 电压电流波形Fig.15 Waveform of voltage and current

图16 输出电压和纹波Fig.16 Output voltage and ripple

图17为试验样机效率曲线，在额定输出功率下，样机的最高效率可以达到81.3%。

图17 效率曲线Fig.17 Efficiency of the prototype with different loads

5 结 论

本文提出一种为固态开关门极驱动电路供电的多路输出高压隔离电源方案。采用LCL-T谐振网络获得高频交变恒流源，后级运用磁环从电流母线取能的方式实现高电压隔离和多路输出。该样机可实现零电压导通，通过对品质因数Q的计算和寻优，可更有效的设计样机中的磁心元件。

该供能电源具有许多优势：控制电路简单，即LCL-T谐振网络参数确定后，无需反馈控制即可实现恒流输出；适用性好，后级取能模块数量易实现增减，且取能模块的位置可任意排布，电流母线可穿行到任何需要供能电源的地方；性能可靠，该样机采用LCL-T谐振网络使电流母线具备抗短路能力，并能保持母线电流恒定，且各个组成模块简单、可靠。通过理论分析与实验验证该电源方案可行性，其能够良好的应用于需要多路输出的高压隔离场合，随着高压直流输电系统的发展，该类电源应用前景可观。