多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用  

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L_m为变压器原边激磁电感，变压器变比为1：N，i_s为高频方波电流源，V_o为变压器输出电压，i_o为变压器输出电流。由于变压器原边绕组只有一匝，所以有

    L_m=    （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

    [t₀－t₁]阶段，V_o为高电平，i_L线性上升，其增量为

        Δi_L1=dt=(t₁－t₀)=DT=（2）

    [t₁－t₂]阶段，V_o为低电平，i_L线性下降，其增量为

        Δi_L2=－Δi_L1=－（3）

输出电流为

    i_o=（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，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。

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>V_ref时，强触发结束。强触发宽度τ按式（5）计算。

        τ=－(R₁＋R₂)C₁ln（5）

式中：V_1O为电容开始充电时点1电压；

      V_1C为比较器翻转时点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L_m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L_m。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Δi_L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L_m为激磁电感；Δi_L为激磁电感上电流增量；I_s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。

表1

    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V_o

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。