耦合变压器型串联直流有源滤波器的研究

张文庆，刘 浩，潘战武

（天水电气传动研究所有限责任公司，甘肃 天水 741020）

1 引言

随着现代科学的发展，大功率、高精度、低纹波的稳定直流电源在工业和加速器上的应用越来越多。晶闸管电源容易大功率化、高可靠性，在高精度电源市场上占有较大的份额。但晶闸管电源由于三相电网的不平衡、晶闸管触发特性的不一致、整流变压器制作时三相输出不一致等诸多因素，造成直流侧有低于特征纹波的低次纹波，也有高于特征纹波的高次纹波存在，同时也有较大的特征纹波存在。因此,晶闸管整流输出纹波很大，且纹波频率低，若采用无源滤波，滤波容量非常大，造成电源体积大、成本高，且有时仍无法满足稳定直流电源极低的纹波和动态性能要求。于是稳定直流电源系统中引入了有源滤波（APF）。

目前，应用在稳定直流电源系统中的APF大多属于并联型，但是并联型APF的性能受系统负载阻抗的影响较大，有时其补偿效果并不十分理想。

本文提出了一种变压器直接耦合的串联直流有源滤波器，详细介绍了这种串联直流有源电力滤波器的工作原理和控制方法，分析了耦合变压器的工作特点，在此基础上讨论了其设计方法，最后对本文所提出的方法进行了实验验证。

2 系统构成和工作原理

2.1 稳流电源及有源滤波器主回路拓扑

稳流电源及有源滤波器主回路拓扑如图1所示。该有源滤波器直接检测直流侧电流纹波，这样以直流侧检测出来的电流经过低通滤波器将纹波电流从直流中分离出来，此纹波电流经放大后做为给定信号，产生PWM信号，由IGBT逆变放大，通过耦合变压器T6串联于主回路中，产生与主回路电流纹波大小相等，而极性相反的纹波电流信号送回直流主回路，来抵消主回路中的电流纹波，这样就达到抑制直流回路纹波的目的。图1中平波电抗器L3用来抑制直流电流id的上升和下降率，保证电流连续。此外，它还起到滤除直流线路中大部分谐波电压和电流的作用。剩余的特征谐波和那些含量极低的低次非特征谐波则用APF滤除。这样既降低了有源滤波器的容量，又提高了系统性能。

图1 稳定直流电源及有源滤波器主回路拓扑图

该有源滤波器采用PWM控制技术，IGBT（采用BSM75GB120DN2）的工作频率高达20kHz，保证产生IGBT逆变波形是光滑的。设计中，纹波的检测致关重要，若检测不出来就无法抵消主回路纹波.其控制回路主要由时钟发生器、滤波回路、纹波检测、指令电流形成电路，PWM信号形成电路及IGBT的保护、驱动、隔离等电路组成。其控制回路拓扑如图2所示。

图2 控制回路拓扑图

2.2 装置平台的构成

2.2.1 整流回路

主回路整流采用6脉动晶闸管整流技术,主整流变压器为移相式整流变压器,L3C1R2C2组成无源滤波器,负载采用一个2Ω的电阻片。主回路中串有电流纹波检测装置（有源滤波器给定），耦合变压器T6的原边，见图1。

（1）电流检测装置

采用型号为LA 58-P的电流传感器，它具有较好的精度（±0.5%＠IPN），良好的线性度（＜0.15%），低温漂,跟随精度（di/dt＞200A/us）。

（2）触发系统

数字触发板采用的晶闸管触发板，它具有以下工作特点：①六脉动强触发功能（19.1 kHZ、2.02A 短路电流,15V开路电压,0.5A/0.5us电流上升率）；②警戒网式门脉冲波形；③等距数字门延信号；④相位遗失禁止保护；⑤软起动、慢停止功能；⑥急停功能；⑦抗相位旋转，自动纠正相位、相序；⑧抗电源电压失真。

这种方案，充分利用了数字触发器的脉冲对称性好的特点，使整流电压波形极其整齐，并且利用了模拟调节系统精度高和响应快的特点。

2.2.2 有源滤波器

有源滤波器整流部分采用单相二极管整流技术,逆变部分采用PWM控制技术，IGBT采用BSM75GB120DN2，PWM波形发生器采用UC3637芯片，其产生的脉冲频率为20kHz，去驱动IGBT模块，从而保证产生IGBT逆变波形是光滑的。有源滤波器的电流纹波给定信号及电流纹波反馈信号都是通过型号为LA 58-PR的电流传感器所产生的。由IGBT逆变回路产生的电流纹波，经过变压器T6原副边耦合后，产生与主回路电流纹波大小相等，而极性相反的纹波电流信号送回直流主回路，来抵消主回路中的电流纹波，从而达到抑制直流回路中电流纹波的目的。见图1。

2.3 耦合变压器

在稳定直流电源中，串联型APF的补偿效果与耦合变压器的性能密切相关。对这种耦合变压器，有人也把它称为电抗器-变压器，因为它既起电抗器的作用，又同时兼起变压器的作用。在本系统中，耦合变压器起着传输能量的作用，同时，它也起着平衡主电路与PWM逆变器的电压、电流的作用。这种耦合变压器与应用在交流系统中的一般变压器的不同之处主要体现在以下三方面：

①联结于主电路直流侧的耦合变压器绕组工作时会流过很大的直流电流，使耦合变压器工作在严重的直流偏磁状态，这样很容易使变压器的铁心饱和，造成系统不能正常工作。

②耦合变压器的励磁电流相对一般变压器比较大。这样，无论APF是否投入工作，直流侧主电路的电流都能顺利地通过耦合变压器(此时起电抗器的作用)。否则，在系统刚开起时，主电路中电流的上升将十分困难。为此，耦合变压器的铁心需带有气隙。

③耦合变压器的效率不可能很高。因为为了防止变压器的铁心饱和，以及为了降低电抗器的电抗，都给铁心增加了气隙，但气隙的增加使空载损耗加大，降低了耦合变压器的传输效率。

针对以上几点，只能在保证耦合变压器的铁心不饱和及电抗值适中的情况下，尽量减小气隙尺寸以提高耦合变压器传输效率。

3 系统实验

术语约定：

APF有源滤波器

U0未加APF时负载两端峰峰值电压

U1加APF时负载两端电压峰峰值

A=U0/U1 纹波衰减倍数

3.1 主回路通电,有源滤波器不通电

合主回路，调节给定电位器，使得负载两端电压为20V，主回路电流为10A，记录主回路负载两端的电压波形如图3所示。

注：由于负载为电阻型负载，所以采集的电压波形可以近似认为是电流波形，以下类同。

3.2 主回路通电,有源滤波器通电

调节低通滤波器，消除电流纹波给定信号中直流成分，得到一个干净的交流纹波信号，通过比例放大器，送到PWM波形发生器（UC3637芯片）,从而得到驱动IGBT模块工作的脉冲信号,其频率为20kHz。

有源滤波器回路通电,各个IGBT模块的驱动脉冲正常,其产生的纹波电流信号通过变压器T6原副边耦合后,送回到主回路,记录主回路负载两端的电压波形如图4所示。

3.3 负载两端电流纹波分析

通过波形比较可以发现，主回路直流电流纹波加上有源滤波器后电流纹波有了很明显的改善，为了比较精确的计算出电流纹波的衰减倍数，通过示波器的交流档观察一下电流纹波的变化。

将图3和图4对比后计算：

3.4 负载两端电流纹波傅立叶分析

通过比较图5和图6，各特征电流纹波有了显著的变化，具体数据及电流纹波衰减倍数如表1所示。

通过对以上数据的分析和总结，可以得出，该类型有源滤波器的投入能够很好的消除主回路中的电流纹波,包括特征纹波,低于特征纹波的低次纹波及高于特征纹波的高次纹波。

图3 APF断开

图4 APF投入

图5 APF断开

图6 APF投入

4 结论

本文详细介绍了耦合变压器型串联直流有源滤波器的工作原理和控制方法，分析了耦合变压器的特点，在此基础上给出了其简要的设计步骤。实验结果表明，耦合变压器型串联直流有源滤波器对抑制稳定直流电源的负载纹波电压和电流有显著的作用。该技术在大功率直流加速电源、医用直流电源等场合具有比较广阔的应用前景。

表1 纹波衰减倍数