基于谐振式软开关的高频高压电源设计

肖小龙，司鑫尧，苏 伟

（国网江苏省电力科学研究院，江苏 南京 210000）

0 引 言

在工业生产中，比较棘手的问题就是粉尘处理，常规的处理方法效果不好，因此相关人员研究出了使用高频电压电源配合谐振式软开关来进行处理[1]。常规的高频高压电源的充电速率慢、效果也差，因此本文基于谐振式软开关对高频高压电源进行了优化设计。

1 基于谐振式软开关的高频高压电源优化设计

1.1 选择高频高压电源主电路

在设计谐振式高频高压电源之前，需要进行频率转换，将输入到电源中心的高频电流转化为输出的低频电流[2]。转换后，可根据此时的电流数值进行后续的升压处理，加入相应的负载。基于此设计的主电路简图如图1所示。

图1 主电路简图

由图1可知，首先将电流输入到整流变换机进行高频逆变，然后进行升压转换，保证输出的电流也是高压整流电流。根据高压变频原则，设计了电源主电路拓扑结构，如图2所示。

图2 主电路拓扑

由图2可知，半桥逆变器电路需要两个等容的直流滤波电容器支撑。由于逆变器的开关装置很小、开关管电压不高、操作简单且输出功率小，因此一般适合中小型电路[3]。处理大型电路时，需要使用更大的转换器来提升转换电压，并通过高压硅堆将产生的直流高压传输到逆变器中。当直流母线电压为高压时，需要使用升压变压器，对变压器的体积和漏感预先进行控制，其他参数也必须能够满足绝缘强度的要求。

1.2 基于谐振式软开关设计整体电路

由于谐振式软开关要求整体电路处于直流状态，因此需要利用三相晶闸管进行调试，调试后才能进行后续整体电路的设计。整个电源主要包括处理电路信号的滤波电路和晶闸管[4]。在设计整体电路前，需要进行驱动电路采样。选取三相相控器来处理采集的电流，电流采集后利用变阻器来进行第二次调整，调整内容包括相控电压，直流电流数值等[5]。将采集到的数值输入到变压器中，计算此时的相控角α与相控电压Ud的关系为：

式中，Ud代表总电压。根据计算的数值添加相应的相位控制角因数，以降低功率因数。通常在直流输出端连接一个滤波器，由于直流电抗器比相同容量的交直流电抗器更贵、噪音更大，因此本文通过移除直流电抗器并在交流入口侧安装交流电抗器来进行过滤[6]。

1.3 选择IGBT逆变驱动电路

对于本文设计的高温高压电源，需要选择逆变驱动电路来控制最高的工作温度。在全桥逆变器中，每个开关导通电流的平均值均为母线电流的一个循环。但是，考虑到谐振式软开关电流的间歇工作模式，需要将电流峰值设置到最高[7]。选择额定电流在600 A以上的IGBT逆变驱动电路。

选用两个400 A/1 200 V IGBT模块作为并联开关，与仿真分析选择相同的IGBT电路、CM400DY-24NF半桥和IGBT模块，额定电流设置为400 A，额定电压设置为1 200 V，结温范围-40C至150C[8]。在选择并联IGBT时，应特别注意器件特性的差异。两个输出特性不匹配的IGBT并联使用会使输出特性更陡峭、初始饱和导通电压更小的IGBT承受大部分电流，造成更大的损耗。IGBT还具有负温度系数，无法自动达到热稳定状态。因此，应选择参数严格对称的IGBT并联，最好选择同批次同型号生产的IGBT。

1.4 设计主功率回路

在大功率转换器件中，主功率回路的设计是一个非常重要的环节。在高频高压电源中，选用IGBT作为主功率回路，以避免严重的电磁干扰。本文采用了一种特殊的叠层母线结构来减少回路的杂散电感。从直观上看，正负宽平板可以吸收电容，起到降低电感的作用。但汇流条的设计应考虑互连汇流条之间的距离关系，即电容器与IGBT主功率回路之间的距离应该很短。两个IGBT并联使用时，必须设计对称的参数以满足均流要求。

将4个IGBT分别固定在两个散热器上，将两个并联模块靠近，以减少并联的不对称参数。然后将滤波电解电容放置在模块与模块之间一定距离处，电解电容器放置在汇流条上方，4个IGBT放置在汇流条下方。电容器应尽可能靠近模块，以减少杂散电感。叠层母线放置时需要在两块相同尺寸的矩形波纹板之间插入一块稍大的绝缘板，使两块铜板紧密接触。

在理想情况下，希望将主电路设计为杂散电感为零的消除吸收电路，但实际上很难实现。因此，本文设计的电源采用了叠层母线结构，可以很好地降低杂散电感，用相对简单的吸收电路达到更理想的电压尖峰吸收效果[9,10]。

1.5 设计高频升压变压器

根据电源的相关参数，设计了变压器的工作参数，即频率约为20 kHz、功率约为60 kW、允许温升约为40、一次输入电压约为500 V、方波二次输出电压约为60 kV、最大功率约为60 kW。为了减小变压器的体积和匝数，通常采用超细晶合金材料磁芯、铁氧体材料磁芯等材料。

2 实 验

在充电电容两端并联一个2 000∶1的高压电阻分压器，控制电路和显示电路会得到一个充电电压反馈信号。充电电源的最大电压为20 kV，输出分压器的低压电阻臂的电压信号为0～10 V，分压器输出的电压信号准确快速地与控制电路和显示电路接地。检测使用常规的高频高压电源和优化后的高频高压电源的充电参数。

2.1 实验准备

霍尔传感器的初次级电流比固定为50 000∶1，只需测量次级电压即可测出通过导体的电流值，此时的原理示意如图3所示。

图3 原理示意图

根据图3可知，当电源次级检测不到电流时，电源会进行频率调节，直至程序设置的最大频率后驱动波形稳定。

2.2 实验结果与讨论

分别检测本文设计的电源的输出电压和常规电源的输出电压，比对两者与标准输出电压的差异，结果如表1所示。

表1 实验结果

由表1可知，在输出电流不同的情况下，本文设计电源的输出电压始终与标准的输出电压拟合、差距较小且充电速率快，能够满足目前的需求。

3 结 论

综上所述，本文在传统的高频高压电源的基础上分析其存在的使用问题，设计了基于谐振式软开关的高频高压电源。该电源的设计对相关的工业领域来说有重要意义，实验证明本文设计的电源充电时间短、输出电压准确且充电速率快，有一定的应用价值。