一种直流电源快速转换装置的设计和仿真

程骏

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

采用直流电网供电的网络为保证重要用电设备的工作可靠性，通常会采用两路独立电源为这些负载供电，当工作电源故障时，立即切断故障电源，投入备用电源。其一般实现方式是采用手动转换开关，通过手动控制的方式进行电源切换。这种方式操作简单，但重要设备的供电切换要经历断电-手动转换电源-通电-重新启动等一系列的过程。从故障断电到到设备重新工作间隔时间较长，降低了设备供电的可靠性，尤其当部分设备启动时间较长或断电影响较大时，保证其不间断的供电就成了迫切需要解决的一个问题[1,2]。

本文设计了一种通过电力电子器件的开关完成主供电回路的切换为原理的大功率直流电源快速转换装置，阐述了其主要原理电路和设计要点，并通过仿真和实物试验进行了验证。

1 电路原理与技术参数

图1为直流不间断电源转换装置原理框图，系统包括以下几个主要部分：电压检测电路、电流检测电路、控制电路（带触发电路）、IGBT和二极管。

该装置输入两路直流电源，输出一路电源，正常工作不需人工干预；工作原理为：两路输入电源均上电后，控制电路将导通主电源回路中的IGBT1和IGBT2，使主电源接通输出为负载供电，并保持备用电源回路中的IGBT3和IGBT4为断开状态，使备用电源处于空置状态，同时控制电路实时检测两路输入电源的电压。当主电源由于故障导致电压低或断电时，通过电压检测装置采样获得电压信号后经控制电路判断需要切换到备用电源，将控制IGBT1和 IGBT2断开，并导通IGBT3和IGBT4，切断主电源输出，接通备用电源，完成电源切换。当主电源恢复正常，控制电路判断后将控制 IGBT3和 IGBT4断开，导通IGBT1和IGBT2，重新恢复到主电源为负载供电。

本文中设计的电源切换装置输入电压最高为DC700V，切换时间不大于5 ms(电源切换时间为输出电压从波动到稳定的整个过程持续时间)，切换功率可达50 kW。

图1 直流电源快速转换装置原理电路图

2 电路设计

2.1 检测电路设计

电压检测电路采用串联电阻分压电路配合高速数据采集模块组成，检测两路输入电压和一路输出电压。由于输入电源可能产生瞬间电压波动，因此会对电压检测电路产生一个瞬间干扰，并影响控制的性能，如何有效的克服此瞬间电压波动的影响，成为电压采样电路必须解决的关键问题。本装置选用了采样频率为 10 kHz数字集成采样电路。保证了系统能在以较高的速率进行采样，在满足系统快速失电响应的需要的同时，过滤掉部分高频电压干扰。大大降低了电网瞬间电压变化造成装置误动作的可能性[3,4]。

电流检测电路采用在备用电源的支路上安装一个霍尔元件，用于检测支路上非正常电流，当两极上流过的电流绝对值之差不为 0，而是达到某个阀值时，即表明输入电源之间有故障电流产生，霍尔元件输出报警信号。

2.2 控制电路及保护设计

控制电路可采用简单的逻辑芯片和数字集成化电路，原理如图2所示。

图2 控制电路原理流程图

电源电压经过隔离放大器进行采样，通过差动放大器进行放大，计算出主电源采样电压U1，与备用电源采样电压U2，的压差U2，-U1，由电压比较器进行比较，当有U2，-U1，≥ΔU（定值）时，电压比较器翻转，输出结果送入逻辑电路处理。逻辑电路控制驱动电路指导电路切换。当主电源恢复正常以后，电压比较器输出电源正常信号。逻辑电路确定主电源正常后，控制驱动电路指导主电源触发电路工作，备用电源切除。控制电路所采用IGBT驱动电路为通用触发电路。电压ΔU的设定由可调电阻进行调节，一般根据电源电压值进行灵活设定，保证电压检测电路不会采样到引起转换电路误动作的电压信号，这种设计同时提高了电路的抗干扰能力。

“有电检测”原理为分析二路输入电压和一路输出电压的幅值，在输入有电而输出无电的情况时，指示系统显示报警；“输出过压”原理为分析输出电压的幅值，当超过定值时即报警并通过封锁电路同时关断两路电源——过压报警；“内部短路”原理为分析电流检测电路检测到的电流故障，及时报警并通过封锁电路同时关断两路电源——短路报警。

控制电路自备输出为15 V、50 W的开关电源，从由两路直流幅压电源取供电，任一路电源断路或短路皆不会影响控制电路的正常工作。

本文控制电路从检测电源故障到电路切换完成的时间不大于1 ms，这是直流电源快速转换装置有较高的响应速度的保证。

2.3 稳压电路设计

稳压电路主要有电感和大容量电解电容组成，其作用为在电路切换期间稳定负载端电压，为保证主电路IGBT和二极管安全工作，避免电路初始电流过大产生的冲击，线路中串入限流电阻R，待电路稳定后即闭合开关K将电阻短路[5]。稳压电路如图3。

图3 稳压电路

图4 缓冲保护电路

2.4 主电路IGBT和二级管设计

主电路由4个IGBT和4个二极管组成。分为两组形成主电源和备用电源支路。IGBT和二极管皆配有缓冲保护电路,其典型电路如图4所示，电路中的电容用于抑制瞬变电压，快恢复二极管D可钳位瞬变电压，从而抑制电路可能产生的谐振。由于电路只在故障发生时进行转换，因而转换的频率很低，适当设置缓冲电路的RC时间常数可以较为有效地抑制振荡。

图5 主电路仿真模型

图6 仿真波形图

3 仿真及试验

3.1 建立主电路仿真模型

随着电力电子技术的快速发展，掌握高效的模拟仿真计算软件变得越来越重要。MATLAB中提供了系统模型图形输入与仿真工具——SIMULINK，使用SIMULINK提供的用于电力系统仿真的电力系统工具箱POWERLIB，只需将工具箱模块中的元件拖到SIMULINK窗口中，通过参数设置对话框设置参数就可以实现电路和电力系统的仿真了。本文搭建了输入电源为串联时一种电源转换装置及其稳压电路仿真模型，见图5。本模型中电源转换装置不包含稳压电路部分，这是因为很多重要设备前端已有类似稳压电路，我们可以直接利用这些负载的稳压电路以节省成本。

3.2 仿真时序控制

仿真采用多个信号源模拟控制电路的工作，触发各开关元件对电路进行控制，以下为一个过程为4s的控制时序：在0.1 s时接通主电源，此时电路通过一个100 Ω电阻为稳压电容充电；2.3 s时采用一个可控硅短路此100 Ω电阻；2.4 s时采用一个可控硅接通负载；2.8 s时主电源断电；2.805 s时备用电源接通；3.6 s备用电源断电。主电路流过100 A电流的一个仿真结果如图6。

3.3 仿真结果分析

负载在电流为100 A时，装置输出有一定冲击电压，但也在1500 V以内，IGBT安全工作电压为1700 V，串联后耐压更高，完全可以耐受这种电压波动的冲击；装置输出电流冲击也在IGBT的额定值（400 A）范围内。装置与稳压电路配合后，经过稳压电路的虑波作用，负载输入端的电压较为稳定，峰值已在500 V以内，可见其电压和电流冲击情况大大减缓，是可以满足负载使用需要的。

4 优点

电源转换装置响应速度快，大大缩短了电源转换装置的断电切换时间；电路的输出功率可达50 kW以上，足以满足大多数负载的功率要求；输出电压在电路切换时也能始终保持在负载的工作电压（500V），提高了负载运行的稳定性；随着电力电子技术的发展，IGBT和二级管等功率电子器件的应用日臻成熟，使得电路有了较高的可靠性。

5 结语

新型直流快速电源转换装置可实现直流电源的快速切换，使得重要用电设备的断电停机几率大大减少，其功率大、电压稳定，保障了向负载供电的安全可靠，有力提高了设备可靠性。可以预测，这种新型直流电源快速转换装置将在高压直流供电领域具有良好的应用前景。

[1]李道本.低压配电系统不同接地型式电源转换可行性研究[J].电气应用,2014,31(8):17-25.

[2]张军,吕馨.不间断电源整合系统双电源转换过程接地方案[J].都市快轨交通,2014,27(1):68-71.

[3]李志强.电源转换电路设计与应用[J].科技视界,2013,10:73-74.

[4]罗杰.现场检测解决仪器电源转换的方法[J].电子技术,2013,1:30-32.

[5]冯梅岗.智能型双电源转换装置的设计[J].电器工业,2012,6:65-68.