一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用

A-Lin

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
2 D! {; i' K' H7 F) B/ n3 K
. W& r6 r% h/ |: i0 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。

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。

; v3 i5 q6 t' v" [, e6 h( Z+ x- y图1三相桥式固态短路故障限流器
% B; G( H) q9 t
/ U  o1 Q) _  m4 R, s% o2系统结构
  C$ o$ t; H/ t' ?
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。

6 [1 j  ]  F$ L/ W$ ]' E

图2多路输出驱动电路供电方式

3工作原理

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。

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图3驱动电路的结构框图

! I: Q- P; |  D6 T& j% w3.1高频变压器等效电路
3 {% d  L% O/ j) e
: _9 Z. t! _$ ?0 t% p2 X8 i. j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

Lm=（1）

当占空比D=0.5时，变压器的工作波形如图5所示。

" O2 F' q) ?/ e; z% k4 D

- v& q) F- ~# i  e( I: U图4变压器等效电路

7 M1 R' H: G: a  F* J8 a图5变压器工作波形
: E% Z0 n3 {$ O! Y$ Z* I0 o6 u- b
' v# ?8 B) k8 E9 _; |- M[t0－t1]阶段，Vo为高电平，iL线性上升，其增量为
/ o- H  S5 P# S6 h0 p9 q+ b5 h
6 e3 `: g- f/ T) N/ DΔiL1=dt=（t1－t0）=DT=（2）
/ L3 m! e, b8 s& G  X$ a; x
[t1－t2]阶段，Vo为低电平，iL线性下降，其增量为

ΔiL2=－ΔiL1=－（3）

- s3 b: n  k, n2 s7 U输出电流为

6 k& k3 c) Y" @1 vio=（4）

3.2线性稳压及过流保护电路

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。

! y9 |3 T0 Q* I0 S
, o2 {4 {$ L, }7 v( c' w图6线性稳压及过流保护电路
0 P: @4 L# O, G) N0 [  A
2 G& H6 B, ]# p2 X3 l1 o3.3强触发电路
- q- |6 I) l. {& C6 t
2 r, `# j, w6 g/ d3 a7 G6 V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。

. s# `0 C! }& i* H) W* Aτ=－（R1＋R2）C1ln（5）
  O) L) o9 Z/ C
* J4 p. O9 ?6 }' c$ A1 l. c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。

& A2 j  n$ o! g0 K; S图7强触发电路

4实验结果

( I- W2 h. d) |+ o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。

图8方波电流源波形

图9变压器副边输出电流波形

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。

图10非晶与铁氧体副边主路输出电流波形比较
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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。
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) w9 T5 m! r! N表1

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。

图11驱动信号输出Vo

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图12上升沿展开波形

: x, b. d* F) m4 _5结语
, x! _6 i" c2 A6 x- [: g1 P, }
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。

uperrua

看了一下，真详细