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 一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用

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发表于 2019-7-29 12:39 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用
1引言/ E+ g' B" A& T% g0 J$ r
, ^) c! K# c. V% c( D2 h
电力电子技术的迅猛发展,使得电力电子装置的应用越来越广泛。目前,在电力电子装置中,在需要隔离电源的地方,均设置独立的包括原、副边电路的整套工作电源,电路复杂,效率低,体积大,成本高,可靠性低;有些电力电子装置使用带有电压泵的专用单电源驱动电路,可以省掉复杂的多路隔离辅助电源,但由于这种专用电路的局限性,不能适用于高电压、大功率和其它有特殊需要的场合。文献[1]提出的用于电力电子装置的多路输出隔离电源驱动电路,采用了分布式供电方式,使用一套主电路就可以产生多组彼此隔离的副边电压,和其他形式的电源相比,在输出功率和输出路数相等的情况下,具有体积小,重量轻,效率高,可靠性高等显著优点。而且由于采用具有独立磁路的副边绕组的变压器,副边绕组个数也就是输出隔离电源的路数的增减非常方便,特别是当输出隔离电源的路数较多时,该电源的优势就更为明显。$ c, B2 k, z: V  I

' O, p3 e1 |  n文献[2]提出的三相桥式固态短路故障限流器,适用于电压等级较高的电网,电路如图1所示,为了增加耐压等级,电路中各晶闸管均采用多个串联的形式,增加了隔离输出路数,本文将隔离电源应用于该限流器中,实验结果验证了电路工作的可靠性。

- P9 z9 H% f1 R) \9 X4 i( D& p" M3 z/ d  B) u
图1三相桥式固态短路故障限流器
: m3 s1 \$ A2 o% {5 l7 ~3 @. U9 G) y7 P, p+ c5 _
2系统结构
8 A, O0 p- n, p; R' o8 K& k/ ~$ a+ w" @& @. O' C
多路输出隔离电源驱动电路如图2所示,它利用一组公用的交流母线,在主电路需要辅助电源的地方进行高频变压器隔离变换并经整流,滤波,稳压后变成所需要的直流电压。分布式供电方法解决了多路隔离输出的困难,并且在实际电路中它与供电对象之间可以靠得很近,减小了被干扰的机会。隔离变压器的绝缘电压也可以做得比较高,原副边的分布电容比较小。

1 F/ q; w) Q, B

  y' q0 N. O# x/ y3 A+ y/ C8 \0 W* Q6 M
图2多路输出驱动电路供电方式
4 X  `; f) i+ n, Z4 [% V* a8 W! ]. _% i0 \% A9 y
3工作原理
# m1 d0 U1 p% _, K1 Y+ V0 e2 c: f+ g8 c% X! Z& P7 W
驱动电路的结构框图如图3所示。虚线框1内为整流及线性稳压电路,虚线框2内为具有强触发的驱动电路。

& \# n* j# C. K. o) Z
5 A9 `3 ~" {' _

5 o8 j8 M8 Q$ V2 \图3驱动电路的结构框图
: f7 Z2 U0 I0 Q% j
0 [% U" _& e- z' `/ q3 x3.1高频变压器等效电路2 R/ N" o  f  ^

, _% v' w% K  q6 Q高频变压器等效电路如图4所示。其中Lm为变压器原边激磁电感,变压器变比为1:N,is为高频方波电流源,Vo为变压器输出电压,io为变压器输出电流。由于变压器原边绕组只有一匝,所以有
+ `% o# P! |; S6 ?2 \9 y0 q8 w  f+ I* ^! V6 M
Lm=(1)" W9 m; E! n' I& k# z' [

# L5 y6 v/ X5 s, l1 I: J1 n当占空比D=0.5时,变压器的工作波形如图5所示。

" a( l: `0 b% R) `$ N$ u' r

9 U7 Q" o. B7 `
- D/ X2 V( `1 e2 z图4变压器等效电路

- s5 @  ^1 C1 G6 h# z

- p( M" l8 \4 h6 o* K/ @% J
/ c5 v" f8 s# W1 W& X5 g图5变压器工作波形
2 ?+ L% N+ D4 m# z8 w6 o. T* n0 Z" l5 j
[t0-t1]阶段,Vo为高电平,iL线性上升,其增量为
) z5 n/ v, s: `5 r5 @/ f6 k- ?+ g1 A! K" ?. Y
ΔiL1=dt=(t1-t0)=DT=(2), q; K8 r. t  S$ p, i& p( z' N
) S% v  z* n: u7 J/ P9 w3 D+ L
[t1-t2]阶段,Vo为低电平,iL线性下降,其增量为" ]* b: k, D4 @' ^) S( z8 a% d

, X( Y6 M% A) M6 A/ S) `: h) eΔiL2=-ΔiL1=-(3), X+ r* V, U9 b9 r; U0 l  Y

$ _9 Y6 B! h+ a, q; `: q输出电流为
7 {$ n* R" H& ]- s* _, \) d# R8 t( s- o* K2 I
io=(4)% Y' x2 [1 m; L9 w" ~
; F: G: _9 g9 e8 S* ]6 E
3.2线性稳压及过流保护电路3 U; M' b% S+ o! o# U5 i' ~% V

% f% H. L5 c; C" d" f  D2 j  I  K由于供电电源是电流源信号,稳压电路采用了并联型线性稳压方式,电路如图6所示。R1起限流作用,R2,R3,R4和Z1组成稳压电路,Z1采用TL431精密稳压管,R5,V1和S1组成过流保护电路,当输入电流过大时,V1导通,S1栅极为高电平而导通,从而限制了流过Z1的电流,保护了后级电路。
( C2 s$ ]! x4 J- a' C
4 x0 q4 l+ T& y- M& F# n
图6线性稳压及过流保护电路
1 r* @( B3 k  ~- x4 O/ R1 G9 ]6 R( Z& n$ E
3.3强触发电路
- H, {# g3 G& y1 f
1 |; ^  t" X7 D0 x  p强触发电路如图7所示。当输入下降沿到来时,由于电容两端电压不能突变,点2电位变为低电平,输出强触发脉冲,下降沿结束后,电容开始充电,点2电位上升,当V2>Vref时,强触发结束。强触发宽度τ按式(5)计算。; y; ], a8 [/ B4 }

5 a, k. g" U* F. Q  s/ v& Eτ=-(R1+R2)C1ln(5)
1 N- W! ?1 {, V7 _. L# M& H9 ^$ L. x% l9 V- g9 P+ s7 o; l& Q
式中:V1O为电容开始充电时点1电压;V1C为比较器翻转时点1临界电压。
( z2 D+ b$ C; c5 i& g" S

8 G" p1 k) O) ^& I/ M, s3 U5 d图7强触发电路
4实验结果

) ^' Z3 K' D# D+ X9 y采用如图1所示的三相桥式固态短路故障限流器,隔离电源的参数如下:高频变压器工作频率为100kHz,原边1匝,副边两路输出,分别为3匝和1匝。主路输出经过整流,滤波,稳压后变成所需要的直流电压。辅路输出经整流,滤波后变为负电平,为晶闸管的关断提供反向电流,加速关断过程。图8为输入方波电流源波形。图9为副边电流波形。

3 f7 J6 O2 F) p  E) L! D, \/ E+ w$ r$ Z5 `6 s! S0 F
图8方波电流源波形
: |/ q( q! J- z- z$ K

5 ^, K, n/ ?9 V* {图9变压器副边输出电流波形
$ n& p6 r, a+ g2 ^9 X) S7 Q* S: c2 }8 ~
增大Lm可以降低磁滞损耗,减小铁心损耗,提高变压器传输效率。在铁心尺寸大小相同的情况下,由式(1)可知,选择相对磁导率μr较大的铁心可以增大Lm.非晶铁心由于具有很高的相对磁导率,可以很好地降低铁心的磁滞损耗。图10为非晶和铁氧体铁心变压器的副边主路输出电流波形。由图10可知,非晶铁心电流波形的波头下降率较低,即ΔiL较小。
* y  B5 S2 b* C! j

9 M+ y2 o, o7 L图10非晶与铁氧体副边主路输出电流波形比较
  Y# L7 t0 |4 O& b0 i
/ A7 ^( y$ ?- d2 H1 N; q0 f实测电流值及电路工作效率等见表1所列。其中Lm为激磁电感;ΔiL为激磁电感上电流增量;Is为原边电流有效值;I21及I22分别为副边输出电流有效值;η为变压器转换效率。由表1可发现,非晶铁心虽然具有较大的激磁电感,但由于非晶铁心具有很低的电阻率,在开关频率较高的情况下,涡流损耗很大,使得总损耗较铁氧体高。由表1还可看出,虽然变压器绕组匝数很少,但由于采用了电流源供电方式,铁心仍然具有良好的能量传递特性,漏电流较小。
; q& U3 a- T7 j' Z9 I* ^! Z4 f$ E# G+ X; [
表1

8 z" j  l! ~4 j8 g' N
4 @! `/ g3 j  C9 I/ l图11及图12分别为驱动电路输出Vo及其上升沿展开的实验波形,波形上升沿大约为1μs,保证了晶闸管的快速导通,强触发宽度为100μs,保证触发的可靠性。在光纤信号结束时,输出大约-0.8V,为器件的关断提供反向电流,加速关断过程,保证了关断的可靠性。

3 R* e# W( N! t- S! j4 E1 c$ P6 Y1 x0 Y8 k  M! m$ u
图11驱动信号输出Vo

) Q& W6 m+ C9 ?+ _4 Y0 z8 o  `' ]  d$ ~$ F. N+ v, ?% l! V
图12上升沿展开波形
. }3 f  f% E7 Z% }
% m: `5 f: D2 o; p7 |5结语/ w+ `3 c" S) Y8 S
3 O6 u. h' `7 K: g/ L6 B9 i
本文介绍的多路输出隔离驱动电路,采用分布式电流源供电方式,该方法解决了多路隔离输出的困难,并且在实际电路中可与供电对象靠得很近,减小了被干扰的机会,减少了变压器绕组匝数,能量传递效率较高。驱动电路输出具有强触发,陡峭的上升沿保证了器件的可靠导通。该驱动电路还适用于各种电机调速系统和伺服系统,中频电源系统等其它电力电子装置,具有广阔的应用前景。
  o- ^3 `. X+ L- k

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发表于 2019-7-29 17:58 | 只看该作者
看了一下,真详细
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