多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应

2011-05-24 12:09:40来源: 互联网

摘要:给出了一种新颖的多路输出隔离驱动电路,它利用分布式电流源供电方式,解决了多路隔离输出的困难,减少了变压器绕组匝数,提高了能量传输效率。驱动电路输出波形的上升沿大约为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。

关键词:分布式供电;短路故障限流器;强触发

   

1    引言

    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。

图1    三相桥式固态短路故障限流器

2    系统结构

    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。

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。

图3    驱动电路的结构框图

3.1    高频变压器等效电路

    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:Nis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。

图4    变压器等效电路

图5    变压器工作波形

    [t0t1]阶段,Vo为高电平,iL线性上升,其增量为

        ΔiL1=dt=(t1t0)=DT=(2)

    [t1t2]阶段,Vo为低电平,iL线性下降,其增量为

        ΔiL2=-ΔiL1=-(3)

输出电流为

    io=(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,R2R3R4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。

图6    线性稳压及过流保护电路

3.3    强触发电路

    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。

        τ=-(R1R2)C1ln(5)

式中:V1O为电容开始充电时点1电压;

      V1C比较器翻转时点1临界电压。

图7    强触发电路

4    实验结果

    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

    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;I21I22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。

表1

铁心类型 Lm/μH ΔiL/A Is/A I21/A I22/A η/%
铁氧体 9 2.1 2.35 0.65 0.11 87.7
非晶(铁基) 65 0.29 2.35 0.61 0.12 83

    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

图12    上升沿展开波形

5    结语

    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。

关键字:隔离  驱动电路  短路

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0524/article_9106.html
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