肖小龍，司鑫堯，蘇 偉

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，比較棘手的問題就是粉塵處理，常規(guī)的處理方法效果不好，因此相關(guān)人員研究出了使用高頻電壓電源配合諧振式軟開關(guān)來進(jìn)行處理[1]。常規(guī)的高頻高壓電源的充電速率慢、效果也差，因此本文基于諧振式軟開關(guān)對(duì)高頻高壓電源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于諧振式軟開關(guān)的高頻高壓電源優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 選擇高頻高壓電源主電路

在設(shè)計(jì)諧振式高頻高壓電源之前，需要進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，將輸入到電源中心的高頻電流轉(zhuǎn)化為輸出的低頻電流[2]。轉(zhuǎn)換后，可根據(jù)此時(shí)的電流數(shù)值進(jìn)行后續(xù)的升壓處理，加入相應(yīng)的負(fù)載?；诖嗽O(shè)計(jì)的主電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 主電路簡(jiǎn)圖

由圖1可知，首先將電流輸入到整流變換機(jī)進(jìn)行高頻逆變，然后進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換，保證輸出的電流也是高壓整流電流。根據(jù)高壓變頻原則，設(shè)計(jì)了電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 主電路拓?fù)?/p>

由圖2可知，半橋逆變器電路需要兩個(gè)等容的直流濾波電容器支撐。由于逆變器的開關(guān)裝置很小、開關(guān)管電壓不高、操作簡(jiǎn)單且輸出功率小，因此一般適合中小型電路[3]。處理大型電路時(shí)，需要使用更大的轉(zhuǎn)換器來提升轉(zhuǎn)換電壓，并通過高壓硅堆將產(chǎn)生的直流高壓傳輸?shù)侥孀兤髦?。?dāng)直流母線電壓為高壓時(shí)，需要使用升壓變壓器，對(duì)變壓器的體積和漏感預(yù)先進(jìn)行控制，其他參數(shù)也必須能夠滿足絕緣強(qiáng)度的要求。

1.2 基于諧振式軟開關(guān)設(shè)計(jì)整體電路

由于諧振式軟開關(guān)要求整體電路處于直流狀態(tài)，因此需要利用三相晶閘管進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試后才能進(jìn)行后續(xù)整體電路的設(shè)計(jì)。整個(gè)電源主要包括處理電路信號(hào)的濾波電路和晶閘管[4]。在設(shè)計(jì)整體電路前，需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路采樣。選取三相相控器來處理采集的電流，電流采集后利用變阻器來進(jìn)行第二次調(diào)整，調(diào)整內(nèi)容包括相控電壓，直流電流數(shù)值等[5]。將采集到的數(shù)值輸入到變壓器中，計(jì)算此時(shí)的相控角α與相控電壓Ud的關(guān)系為：

式中，Ud代表總電壓。根據(jù)計(jì)算的數(shù)值添加相應(yīng)的相位控制角因數(shù)，以降低功率因數(shù)。通常在直流輸出端連接一個(gè)濾波器，由于直流電抗器比相同容量的交直流電抗器更貴、噪音更大，因此本文通過移除直流電抗器并在交流入口側(cè)安裝交流電抗器來進(jìn)行過濾[6]。

1.3 選擇IGBT逆變驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的高溫高壓電源，需要選擇逆變驅(qū)動(dòng)電路來控制最高的工作溫度。在全橋逆變器中，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通電流的平均值均為母線電流的一個(gè)循環(huán)。但是，考慮到諧振式軟開關(guān)電流的間歇工作模式，需要將電流峰值設(shè)置到最高[7]。選擇額定電流在600 A以上的IGBT逆變驅(qū)動(dòng)電路。

選用兩個(gè)400 A/1 200 V IGBT模塊作為并聯(lián)開關(guān)，與仿真分析選擇相同的IGBT電路、CM400DY-24NF半橋和IGBT模塊，額定電流設(shè)置為400 A，額定電壓設(shè)置為1 200 V，結(jié)溫范圍-40C至150C[8]。在選擇并聯(lián)IGBT時(shí)，應(yīng)特別注意器件特性的差異。兩個(gè)輸出特性不匹配的IGBT并聯(lián)使用會(huì)使輸出特性更陡峭、初始飽和導(dǎo)通電壓更小的IGBT承受大部分電流，造成更大的損耗。IGBT還具有負(fù)溫度系數(shù)，無法自動(dòng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)。因此，應(yīng)選擇參數(shù)嚴(yán)格對(duì)稱的IGBT并聯(lián)，最好選擇同批次同型號(hào)生產(chǎn)的IGBT。

1.4 設(shè)計(jì)主功率回路

在大功率轉(zhuǎn)換器件中，主功率回路的設(shè)計(jì)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在高頻高壓電源中，選用IGBT作為主功率回路，以避免嚴(yán)重的電磁干擾。本文采用了一種特殊的疊層母線結(jié)構(gòu)來減少回路的雜散電感。從直觀上看，正負(fù)寬平板可以吸收電容，起到降低電感的作用。但匯流條的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮互連匯流條之間的距離關(guān)系，即電容器與IGBT主功率回路之間的距離應(yīng)該很短。兩個(gè)IGBT并聯(lián)使用時(shí)，必須設(shè)計(jì)對(duì)稱的參數(shù)以滿足均流要求。

將4個(gè)IGBT分別固定在兩個(gè)散熱器上，將兩個(gè)并聯(lián)模塊靠近，以減少并聯(lián)的不對(duì)稱參數(shù)。然后將濾波電解電容放置在模塊與模塊之間一定距離處，電解電容器放置在匯流條上方，4個(gè)IGBT放置在匯流條下方。電容器應(yīng)盡可能靠近模塊，以減少雜散電感。疊層母線放置時(shí)需要在兩塊相同尺寸的矩形波紋板之間插入一塊稍大的絕緣板，使兩塊銅板緊密接觸。

在理想情況下，希望將主電路設(shè)計(jì)為雜散電感為零的消除吸收電路，但實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。因此，本文設(shè)計(jì)的電源采用了疊層母線結(jié)構(gòu)，可以很好地降低雜散電感，用相對(duì)簡(jiǎn)單的吸收電路達(dá)到更理想的電壓尖峰吸收效果[9,10]。

1.5 設(shè)計(jì)高頻升壓變壓器

根據(jù)電源的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)了變壓器的工作參數(shù)，即頻率約為20 kHz、功率約為60 kW、允許溫升約為40、一次輸入電壓約為500 V、方波二次輸出電壓約為60 kV、最大功率約為60 kW。為了減小變壓器的體積和匝數(shù)，通常采用超細(xì)晶合金材料磁芯、鐵氧體材料磁芯等材料。

2 實(shí) 驗(yàn)

在充電電容兩端并聯(lián)一個(gè)2 000∶1的高壓電阻分壓器，控制電路和顯示電路會(huì)得到一個(gè)充電電壓反饋信號(hào)。充電電源的最大電壓為20 kV，輸出分壓器的低壓電阻臂的電壓信號(hào)為0～10 V，分壓器輸出的電壓信號(hào)準(zhǔn)確快速地與控制電路和顯示電路接地。檢測(cè)使用常規(guī)的高頻高壓電源和優(yōu)化后的高頻高壓電源的充電參數(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

霍爾傳感器的初次級(jí)電流比固定為50 000∶1，只需測(cè)量次級(jí)電壓即可測(cè)出通過導(dǎo)體的電流值，此時(shí)的原理示意如圖3所示。

圖3 原理示意圖

根據(jù)圖3可知，當(dāng)電源次級(jí)檢測(cè)不到電流時(shí)，電源會(huì)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，直至程序設(shè)置的最大頻率后驅(qū)動(dòng)波形穩(wěn)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

分別檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的電源的輸出電壓和常規(guī)電源的輸出電壓，比對(duì)兩者與標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓的差異，結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在輸出電流不同的情況下，本文設(shè)計(jì)電源的輸出電壓始終與標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓擬合、差距較小且充電速率快，能夠滿足目前的需求。

3 結(jié) 論

綜上所述，本文在傳統(tǒng)的高頻高壓電源的基礎(chǔ)上分析其存在的使用問題，設(shè)計(jì)了基于諧振式軟開關(guān)的高頻高壓電源。該電源的設(shè)計(jì)對(duì)相關(guān)的工業(yè)領(lǐng)域來說有重要意義，實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的電源充電時(shí)間短、輸出電壓準(zhǔn)確且充電速率快，有一定的應(yīng)用價(jià)值。