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并联均流高频开关电源的研究
2006年4月19日 15:51  来源:国外电子元器件  作者:张胜辉 郭海军 石文国

 

摘要:随着分布式电源系统的发展,开关电源并联技术的重要性日益增加。文中介绍了一种新型高频开关电源及220V/10A整流模块的实现方案。其中整流模块采用高可靠性电流型PWM整流器及全桥变换电路来分别实现三相功率因数校正和DC/DCF变换,并在模块间采用最大电流自动均流法实现自主均流。

    关键词:开关电源  PWM  并联  均流  模块

1 引言

    在发电厂和变电所中,为了给控制、信号、保护、自动装置、事故照明和交流不停电电源等装置供电,一般都要求有可靠的直流电源。为此,发电厂和110kV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源,但要求上述电源具有高度的可靠性和稳定性,并且其电源容量和电压能在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。

    另外,目前由于半导体功率器件、磁性材料等方面的原因,单个开关电源模块的最大输出功率只有上千瓦,而实际应用中往往需用几十千瓦甚至几百千瓦以上的开关电源为系统供电,因此,要通过电源模块的并联运行来实现。大功率电源系统需要采用若干台开关电源并联的形式,以满足负载的功率要求。在并联系统中,每个变换器应处理较小的功率以降低应力,还应采用冗余技术来提高系统的可靠性。电源并联运行是电源产品模块化、大容量化的一个有效方法,同时也是实现组合大功率电源系统的关键。

2 常用的均流方法

    由于大功率电源负载需求的增加以及分布式电源系统的发展,开关电源并联技术的重要性也日益增加。但是并联的开关变换器在模块间通常需要采用均流(Current sharing)措施。它是实现大功率电源系统的关键,其目的在于保证模块间电源应力和热应力的均匀分配,防止一台或多台模块运行在电流极限(限流)状态。因为并联运行的各个模块特性并不一致,外特性好(电压调整率小)的模块可承担更多的电流,甚至过载,从而使某些外特性较差的模块运行于轻载状态,甚至基本上是空载运行。其结果必然加大了分担电流多的模块的热应力,从而降低了可靠性。

    开关电源并联系统常用的均流方法有:

(1)输出阻抗法

(2)主从设置法

(3)按平均电流值自动均流法

(4)最大电流自动均流法(又叫自主均流法)。

    直流模块并联的方案很多,但用于电力操作电源,都存在着这样或者那样的缺陷,其主要表现在:输出阻抗法的均流精度太低;主从设置法和平均电流法都无法实现冗余技术,因而并联电源模块系统的可靠性得不到很好的保证;外加均流控制器法使系统变得过于复杂,不利于把这一技术转化成实际的产品。而自主均流法以其均流精度高,动态响应好,可以实现冗余技术等特点,越来越受到产品开发人员的青睐。

    所谓自主均流技术,就是在n个并联模块中,以输出电流最大的模块为主模块,而以其余的模块为从模块。由于n个并联模块中,一般都没有事先人为设定哪个模块为主模块,而是通过电流的大小自动排序,电流大的自然成为主模块,“自主均流法”因此而得名。

3 220/10A整流模块

    笔者设计了一个220V/40A高频开关电源,可用于发电厂、变电所、变电站等电力控制的直流屏系统。该设计方案采用4个220V/10A模块并联来实现模块间的自主均流,从而为电力系统提供了一种重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好的整流模块实现方案。由于篇幅所限,本文只介绍220V/10A整流模块的实现方法。

    高频开关电源性能优于相控整流电源,它能否得到广泛工业应用的关键是其可靠性,特别是当输出直流电压较高时应能可靠工作。除元器件及生产工艺等因素外,开关电源的可靠性主要取决于其主电路拓扑结构及控制方法。在设计该电源模块时,笔者选用了可靠性很高的三相电流型PWM整流器来完成三相功率因数校正及移相全桥谐振拓扑,从而实现DC/DC转换;PWM控制则采用电流型控制方法来实现。

3.1 三相PWM整流器

    图1所示是一种三相PWM整流器的主电路,该电路的每个桥臂均由2只IGBT和2只二极管组成。其中IGBT的驱动脉冲采用正弦PWM调制脉冲,这样,输入电流和输出调制电压Vd中就只含下式所示的谐波:

    式中:Id为输出电感中的电流;Vl为输入线电压有效值:P为0~60°区间内的脉冲数;M为调制系数,M=Uo/Um。

    PWM整流器具有输入功率因数高,输入电流的低次谐波电流含量少,PWM调制脉冲易实现以及成本低等优点。

3.2 全桥DC/DC变换器

a.主电路拓扑

    根据该高频开关电源的输出功率较大(220V、10A)且工作频率较高(100kHz)等实际情况,笔者选用了全桥隔离式PWM变换器,图2是其电路图。

    这种线路的优点有二:一是主变换器只需一个原边绕组,通过正、反向电压即可得到正、反向磁通,副边绕组采用全桥全波整流输出。因此变压器铁芯和绕组可得到最佳利用,从而使效率密度得到提高。二是功率开关可在非常安全的情况下运行。

b.控制与保护

    DC/DC变换器采用峰值电流型PWM控制,并采用自主均流法实现多个模块并联运行时的均流控制。这种均流控制方法与电源模块数目无关,且任意1个模块发生故障或退出运行时,均不影响其它模块的均流功能,从而真正实现了N+1冗余运行。

    PWM脉冲宽度调制开关变换器的控制芯片采用UC3875移相专业控制芯片,该芯片主要应用于全桥变换器电路。它有电压型和电流型控制模式可供选择。UC3875具有限流、输入过压、输出过压、输入欠压等保护功能。自动均流电路采用以最大电流自动均流法为原理的集成均流芯片UC3907,应用UC3907可以调节电源模块的电压并实现并联模块间的均流。

    用于电力系统中的高频开关电源可满足的技术指标如下:

●输入交流电压:380V;

●纹波系数:≤0.5%;

●电网频率:50Hz;

●功率因数:≥0.9;

●输出直流电压:220V;

●稳压精度:≤0.5%;

●模块输出电流:10A;

●稳流精度:≤0.5%;

●整机输出电流:40A

●均流不平衡度:≤0.5%。

4 结束语

    本文通过对高频开关电源的研究,设计了一种用于电力系统直流操作电源的高频开关电源整流模块,与现在使用的相控整流电源相比,该模块的重量更轻、体积更小、效率更高、安全性更好。随着电力电子技术的不断发展,均流技术将会更加成熟完善,也必将推动高频开关电源朝着更大规模的方向发展。

 

 
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