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一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用 1引言& I$ d0 j7 V' K6 P
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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。
( l A) z5 n2 D: b* O) |' n6 z" f z2 W/ Q X `6 h
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。 ![]() : M+ ]; @6 b0 b6 ]
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图1三相桥式固态短路故障限流器
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, X2 b. E, c- x& t+ ]- J' N2系统结构 Z$ M! F) t1 A% |2 G3 k
2 s% [; u+ D- R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。
% |0 D1 n4 Q& v% k( y+ Y( b![]() 2 j$ o1 c+ [) n% c
& f. `# r( ]! W# J: O0 g6 }图2多路输出驱动电路供电方式
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" G Z# W8 H* g3工作原理2 Y7 d6 Q8 p- `' C
7 x. x0 A1 W! Q3 L* @+ L
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。
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2 k8 a0 M, n! F. @# p# T ^8 k- S; K z0 E
图3驱动电路的结构框图, r1 T7 K& t% j) O9 h8 J
& C/ }; z. T( u o3.1高频变压器等效电路- h& ~+ q6 b7 [- V0 L! ?
; o: O1 [; M0 N" O+ S) U: i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：N，is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: P1 k! X" u! J
7 v. `# x; v2 y. N4 c* o
Lm=（1）
8 n; `1 V# z# S4 \+ Y: R3 ~9 k; _, R6 B- h+ g* Z# {
当占空比D=0.5时，变压器的工作波形如图5所示。
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6 s6 _# O. x) O; I0 S7 I" ~# k" n( f. \4 l
图4变压器等效电路
2 c: W+ E5 H( {& L7 [
( R- O+ o8 q9 b- A% a' _# l. n; A2 O$ v% z# ^. t2 G! c# G
图5变压器工作波形
% E4 Z$ k! H6 R* }+ ?* r: D! `- |* V( c, S- S( j
[t0－t1]阶段，Vo为高电平，iL线性上升，其增量为7 D0 b& W" @1 B2 G
" E, F$ B; g5 L: y AΔiL1=dt=（t1－t0）=DT=（2）) W) W1 x! l4 o! E
" j3 ?* p. @1 Y7 B# t. J; F% b[t1－t2]阶段，Vo为低电平，iL线性下降，其增量为' x; Q6 y/ l) n( F( k3 a
/ y8 r4 y- W2 i3 _ΔiL2=－ΔiL1=－（3）3 j9 v: x0 d3 o( r0 ~# @; a$ C
# C2 ]3 F7 t7 R; i
输出电流为, ^/ Z. d4 G5 u1 F$ T2 h; {8 g( A: G
9 `7 N- C2 q9 h8 D6 e. I* p+ r
io=（4）2 y+ Z9 k) x- [
3 P6 u. {: [! L# V+ U
3.2线性稳压及过流保护电路& g; j7 Z5 k1 `( e
% ~7 v" R/ l Z' p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，R2，R3，R4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栅极为高电平而导通，从而限制了流过Z1的电流，保护了后级电路。
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( r: b! m/ K% `2 P* d' |图6线性稳压及过流保护电路6 f$ R. C: o, G
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3.3强触发电路% f7 T) r4 y# E! m9 n' ]
; L6 U, p; Q# _/ i! b) `
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。
: q# M9 T+ C- m' ~" S: d4 T- D4 u1 q( w, n+ Y9 a4 j+ e
τ=－（R1＋R2）C1ln（5）
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, f" f7 Z' ~" W$ {9 J: f, m5 {% Y式中：V1O为电容开始充电时点1电压；V1C为比较器翻转时点1临界电压。![]() ! E& N3 q. P1 N% B+ P) W
& j8 \4 o4 M5 F3 A图7强触发电路4实验结果
, f, X u3 R6 E" k0 b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。
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' M1 E5 a* r1 A) _$ p图8方波电流源波形![]()
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2 e7 h4 d* g- P% q* L& O图9变压器副边输出电流波形
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( [9 ?- m( C0 h4 r' S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。![]()
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图10非晶与铁氧体副边主路输出电流波形比较
1 t: I; w9 z, W9 A7 N& c7 j, ~. h4 i1 @
4 m# g; }) {9 D6 B& a/ D: C$ O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；I21及I22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。( U' x. y0 M: G4 }! R) o8 I
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表1![]() 8 r$ E% Y$ c. ^) J! N
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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。![]() $ f' G* X1 y1 ?0 j* ^
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图11驱动信号输出Vo![]() . w) {% {5 z, E& v
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图12上升沿展开波形- ^0 ^ {( g# H4 L0 z% D
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5结语
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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。
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发表于 2019-7-29 12:39
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