电流源型高压隔离驱动电源研究

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(陕西电子信息职业技术学院，陕西 西安 710077)

0 引言

随着全球能源互联网的提出和建设，使直流输电技术得到快速应用和发展，电网系统中也因此应用到大量的电力电子装置[1-3]，由于目前还没有单个能够承受高耐压等级的开关管，这就需要通过多个开关管串联以达到需求的耐压等级。因此，高压隔离驱动电源应能够实现多路输出[4]。

另外，多个开关器件串接在一起，其驱动电压的参考电位必然会产生浮动。所以，高电压等级的隔离也是必不可少的环节。

传统的高压隔离技术都是通过变压器结构来实现的。例如，通过改进绝缘工艺提高原副边耐压的高隔离变压器，虽然这种结构一定程度上提高了耐压等级，但是它是以牺牲体积和成本为代价的，并且易受外部参数影响；基于无芯PCB结构的变压器，这种特殊结构的耐压等级主要是由PCB板材的绝缘性能决定的，结构的限制使其很难实现多路输出；压电变压器结构虽能通过电能-机械能-电能的方式实现原副边的电压隔离，但是只能实现单路输出，并且信号的调制与解调无疑会增加系统设计的复杂度。

这就需要一种新型的高压隔离驱动电源来满足应用环境的需求。近年来，越来越多的学者也针对此类问题展开研究。

文献[5-6]提出以功率因数校正结构实现前级效率提升与防止谐波污染，后接全桥逆变，以串联交流母线结构实现高压隔离和多路输出。文献[7-9]采用LC串联谐振网络虽在一定程度上改善电流波形，实现多输出，但是动态响应对前端输入电压影响大，且电路复杂。文献[10]提出了一种LCL半桥谐振式LED驱动电源，减小电流纹波，提高了利用率。虽然能够实现多路输出，但是在高压环境下有一定局限性。

在前述研究的基础上，提出了一种新型的电流源型高压隔离驱动电源，适用于高压环境下需要多个电压为电力电子装置提供驱动电压的工况，进行了理论分析，并作出了相关仿真研究。

1 驱动电源结构

图1所示为电流源型驱动电源结构图。从结构图中可以看出主要由下面几个功能结构模块构成：

图1 电流源型高压驱动电源

a.Buck PFC结构。此模块主要由EMI滤波结构、AC/DC变换器、Buck DC/DC变换器以及相关的控制保护电路构成，此功能结构为后级模块提供高质量的直流电压输入。

b.谐振变换器结构。该功能结构主要由逆变器和LCL谐振变换结构组成。逆变器实现DC/AC的变换，可以是全桥结构亦或半桥结构，根据输出功率的大小和路数的多少来选择。LCL拓扑结构主要实现恒流输出。

c.隔离结构与稳压输出。以高压电缆线串磁环变压器的结构实现高压隔离和多路输出，控制信号则通过光纤通信实现。后级通过整流稳压得到一路稳压输出。

2 谐振变换器

2.1 变换器的结构

本设计为电流源型高压隔离驱动电源，电缆线中恒定高频电流是通过逆变器后级LCL谐振网络实现的。基于LCL谐振网络的逆变器简化拓扑结构如图2所示，可以看出拓扑结构如章节2中所介绍的三大功能模块构成。为了实现设计的多用性，即能够同时满足较大功率和小功率驱动负载需求，在设计PCB电路时，将半桥和全桥逆变拓扑整合在一起，使用时个根据需要进行自由选择。

其中，拓扑结构中不接入C1与C2时，逆变器是由S1,S2,S3和S4构成的全桥逆变结构；而将开关管S1与S2由C1与C2替代时，逆变器为半桥逆变结构。变压器T用来隔离，高压电缆穿过电流变压器CT实现多路输出，每路输出后接全波整流与稳压驱动模块。

图2 基于LCL谐振变换器的逆变器

2.2 变换器恒流工作原理

下面对变换器恒流输入的工作原理进行分析[11-12]。谐振网络的等效电路如图3所示，从基于交流分析的电路图中可以看出谐振网络由Lr,Lk,C组成。谐振变换器输入端方波电压基波分量有效值为：

(1)

Ui为工频输入电压的幅值。

图3 谐振变换器等效电路

假设负载阻抗为RL，则其等效到变压器原边的等效阻抗为Re，其中n为变压器原副边绕组匝比。

(2)

根据全波整流可知

(3)

(4)

Io和Uo分别为流过电阻RL的电流和电阻RL两端的电压，Io1为流过等效电阻Req的电流有效值，Uo1为Req两端的电压有效值。

定义变换器的谐振角频率为:

(5)

其开关角频率为ωn，为方便计算，则归一化频率为:

ωn=ω/ω0

(6)

特征阻抗Zn为:

(7)

品质因数Q为:

(8)

定义谐振电感的比值β为:

(9)

谐振变换器的电流增益H为:

(10)

式(10)中，只有Q与RL有关，当谐振频率与开关频率相等时，H=8n/π2，从而实现输出电流与负载变化无关。

作为电流源恒流输入使用，当采用半桥逆变结构时，流过谐振电感Lr与Lk的电流有效值分别为

(11)

(12)

而采用全桥逆变结构时，则有：

(13)

(14)

不论采用半桥逆变器还是全桥逆变器，在输入电压和电路相关参数确定后，流过电感L上的电流有效值与品质因数Q成反比。只是在半桥拓扑结构下流过电感电流的有效值时全桥拓扑结构下流过电感电流有效值的一半。负载短路情况下，流经谐振电感的电流几乎为零，具有抗负载短路能力。

对逆变器的相位特性进行分析，设电压初始相位为零，逆变器输出电压与输出电流的相位差为:

φ=φi-φv

(15)

相位差φ随ωn与品质因数Q变化的关系如图4所示。相同开关频率下，相位差φ随品质因数Q增大而增大，并且φ的变化更加剧烈。当工作在谐振频率点，在不同品质因数Q下，相位差始终为0，即可以实现逆变器的输出电压与输出电流同相位。

图4 不同品质因数和频率下φ的变化曲线

当工作在恒流模式下，根据相位差公式，在谐振点处，Lr与Lk同时相等，能够实现软开关，从而降低开关损耗。实验时，使Lr略大于Lk实现ZVS。

3 仿真实验与讨论

为验证电流源型隔离驱动电源的有效性，采用Simplorer与Ansoft软件联合仿真。仿真电路中采用25路串联多输出。仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数

仿真方案和设计中由于电缆线的引入能够在中高压环境下实现优良的隔离性能。

如图5所示为谐振网络输入端电压电流波形，从图中可以看出电压过零点明显超前于电流过零点，能够实现零电压关断。

图5 谐振网络输入端端电压电流波形

图6和图7分别为高频变压器T以及电流变压器原副边电压波形，可以看出是波形趋势很好的高频方波，从幅值比可以看出符合设计要求。图8为电流变压器原副边电流波形，正弦波趋势明显，并满足电流比1∶8的要求。

图6 高频变压器T电压波形

图9为稳压输出端电压和电流波形，直流电压输出Uo为10 V，输出电流基本稳定在0.5 A，单路能够实现5 W的功率输出。

图7 电流变压器电压波形

图8 电流变压器原副边电流波形

图9 负载电压电流波形

4 结束语

提出一种电流源型高压隔离驱动电源，通过选定的谐振拓扑，很好的实现了恒流输出；以电缆线传输高频电流源实现了足够的电压隔离强度；串联多输出的结构满足需要多个驱动电源的工况；半桥和全桥逆变结构的可选性增加了对输出的适应能力。根据设计要求，进行了仿真实验，仿真结果表明效率在85%左右，不仅提

高了输出效率，而且输出的稳定性更高，可以很好的满足采用大功率电力电子器件的高压场合，并能够根据驱动电源路数需求灵活的掌控输出数量。具有很高的工程应用价值。

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