基于高频正弦母线的辅助电源系统的设计

张颖辉，彭 溪

（武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064）



基于高频正弦母线的辅助电源系统的设计

张颖辉，彭 溪

（武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064）

摘 要：本文提出了一种基于高频正弦母线的辅助电源系统，分析了高频正弦母线的优点，给出了高频正弦电压源的设计方案，并制作了样机，给出了试验波形。说明了本方案在大功率电力电子设备中的应用前景。

关键词：高频正弦母线 辅助电源系统 大功率电力电子设备

0 引言

近年来，随着工业自动化程度的不断提高，大功率电力电子设备在工业以及国防领域的应用发展迅速。在大功率电力电子设备中，控制电路，监控电路以及驱动单元等均由辅助电源系统供电，辅助电源系统是硬件设计中不可或缺的重要部分，直接影响设备的性能和装置运行的可靠性。

传统的设计方式中多采用多个独立的AC-DC电源模块分别供电，电源数量多而且体积大，可靠性不一致。随着电力电子技术的发展，辅助电源装置向着体积小、轻量化、低噪声、大容量、高可靠性方向发展。

本文提出了一种基于高频正弦母线的辅助电源系统，分析了高频正弦母线的优点，给出了高频正弦电压源的设计方案。

1 系统方案设计

高频正弦波母线电压的优点是：变压器工作效率高，系统中潜在噪音低，EMI影响程度低，在大功率电力电子设备中具有广泛的应用前景[1,2]。系统设计框图如图1所示，本系统以高频正弦电压源作为母线，输出到设备的每个需要辅助供电处，经过一级变压器隔离降压和整流滤波后，变换成设备所需的辅助电源的电压等级，可以为±5 V，±15 V，±24 V不等，且各支路彼此独立，可以大大减小辅助电源的体积和重量，同时在电网和负载之间形成良好的隔离，保证各个部分的辅助供电质量。

2 电源方案设计

为保证高频正弦母线的辅助电源系统可靠运行，高频正弦电压源的设计方案尤为重要。

2.1高频正弦电压源的电路原理

下面给出了辅助电源系统中的关键部件高频正弦电压源的原理示意图。

该电源拓扑采用了3级变换，第一级变换为三相不控整流，将3相380VAC交流电变换为直流，第二级变换是采用双管正激变换，经过变压器T1隔离降压后稳压再整流得到直流的脉冲电压；第三级变换采用推挽电路变换，推挽变压器T2初级的漏感组成谐振电感Lr，与变压器初级并联电容（C8,C9,C10）产生并联谐振，从变压器T2输出高频正弦波，输出频率由LC谐振频率来确定。

图 1 高频正弦母线的辅助电源系统框图

图2 高频正弦电压源的原理示意图

图 3 理想条件下LC并联谐振式推挽电路示意图

2.2工作原理分析

为研究此电源拓扑的工作原理，须对其进行拓扑作合理假设等效，假设条件如下[3,4]：

1） 所有应用的开关管为为理想开关管；

2） 单个开关周期内，输入电压基本保持不变，三相不控整流后的电压基本保持不变，且C1，C2，C3，C4足够大，在一个工作周期中可以认为C1和C3的中间点电位保持不变；

3） 电感和电容均为无损耗理想储能元件；

4） 不计线路阻抗。

在以上假设条件下，根据电路拓扑，第一级的不控整流变换可以等效为一个直流电压源，第二级的双管正激DC-DC变换为较为常规的拓扑形式，经过第二级变换后，得到的是输出为近似正弦半波的直流电压源；第三级的推挽式LC并联谐振DC-AC变换，在理想情况下，将其等效电路简化为如下图所示，开关管VD3和VD4以不变的50%占空比轮换开通，L1为变压器TX1的初级等效漏感，同时即为参与谐振的电感Lr，C1为等效谐振电容Cr。在一定的频率范围内可使VD3和VD4工作于零电压软开关(ZVS)条件下，在理想条件下，当开关频率f与LC谐振频率fr相等时，此时线路的阻抗最小，电流i的波形近似为正弦波，此时输出电压也为与电流同相位的正弦波。改变开关频率可使变压器中谐振电压随之变化，从而实现对负载电压进行调整，从而实现电压调节[5]。

图 4 VD3的驱动波形和漏源电压波形

2.3实验结果和波形分析

根据以上的分析，试验制作了一台输出为60 V频率为50 kHz的辅助电压源。用示波器对主要输入和输出量进行了观测和记录，测得的实验波形如下图所示，可见样机能够输出较好的正弦波形。同时由于应用了软开关技术，辅助电压源的效率也较高，测得效率约为86%。

图 5 VD3的驱动波形和变压器输出波形

3 应用

根据本文中的方案制作的样机应用在一台大功率变频器的辅助供电系统，同时设有一台冗余的高频正弦输出电压源，用于冷备份，此系统工作稳定可靠，对控制回路未造成不必要的干扰。

4 结论

本工作研究了一种基于高频正弦母线的辅助电源系统，并对系统的主要部件高频正弦输出电压源的原理进行了说明，设计制作了样机，结果进行了验证。此种辅助供电系统具有较高的转换效率和较低的电磁辐射以及很好的负载特性，在大功率电力电子设备中具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]Edry D,Yaakov B.Dynamics o f the cap acitiveloaded push-pull parallel-resonant converter:investigation by a SPICE compatible average model[C].IEEE Applied Power Elee-tronics Conference and Exposition,1994,2:1035-1041.

[2]Gulko M,Yaakov B.Current sourcing push pull parallel resonance inverter(CS-P PRI):theory and application as a discharge lamp driver[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1994,3(41):285-291.

[3]Hwu K I ,Yen Wen-chih,Chen Y H.Digital control of isolated two-stage DC- DC converter with synchronization considered [C].IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Seou1,2009:1598-1603.

[4]赵磊.LLC谐振变换器的研究[D].成都:西南交通大学硕士学位论文,2008.

[5]袁有臣,王彦生.电流型零电压软开关并联谐振推挽DC/DC变换器[J].青岛科技大学学报,2010,31(6).

Design of High Frequency Sine Wave Output Auxiliary Power Supply System

Zhang Yinghui,Peng Xi
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064;)

Abstract:The high frequency sine wave output auxiliary power supply system is put forward,and the advantage of the high frequency sine wave bus is analyzed.The design method of the high frequency sine wave output power supply is given,a sample power supply is made,and the main waveform is listed.The forward application of the system in the high power electrical equipment field is shown.

Keywords:high frequency sine wave output bus; auxiliary power supply system; high power electrical equipment

作者简介：张颖辉（1983-），女，工程师。研究方向：船用电力推进变频装置控制硬件设计。

收稿日期：2015-12-16

中图分类号：TM76

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0075-03