多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用

多路输出高压隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用浙江大学电力电子国家专业实验室金高先，吕征宇摘要本文给出了一种新颖的多路输出高压隔离驱动电路，它利用分布式电流源供电方式，解决了多路输出以及高压隔离的困难，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1us，保证了晶闸管的快速导通，强触发宽度为100us，保证触发的可靠性。1引言目前，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。本文给出的用于电力电子装置的多路输出高压隔离驱动电路，采用了高频电流源供电方式，使用一套主电路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。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。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内为具有强触发的触发电路。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，图5为其工作波形。其中为变压器原边激磁电感，变压器变比为1：N，为高频方波电流源，为变压器输出电压，为变压器输出电流。由于变压器原边绕组只有一匝，所以有：mLSi0VOi200reremeeNAALll(1)[]阶段，为高电平，线性上升，其增量为：[]阶段，为高电平，线性下降，其增量为：输出电流为：(1)(3)01~ttOVLi100000110()2tLtmmmmVVVVTidtttDTNLNLNLNL(2)12~ttOVLi0212LLmVTiiNL(3)0SLiiiN(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、Q1和M1组成过流保护电路，当输入电流过大时，Q1导通，M1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。3.3强触发电路输入下降沿到来时，由于电容两端电压不能突变，2点变为低电平，输出强触发脉冲，下降沿结束后，电容开始充电，2点电位上升，当时，强触发结束。强触发电路如图7所示，强触发宽度计算公式如下：式中：——电容开始充电时1点电压——比较器翻转时1点临界电压2refVV1121105()ln5CVRRCV(5)10V1cV4实验结果4.1电流波形三相桥式固态短路故障限流器如图1所示，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。辅助输出整流、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。4.2非晶与铁氧体铁芯变压器的比较非晶铁心的晶态结构决定了其具有很小的磁滞损耗，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，（如限流器工作频率100kHz）涡流损耗很大,使得总损耗较铁氧体的高。如表1所示，由表1还可看出，虽然变压器绕组匝数很少，但由于采用了高频电流源供电方式，铁芯仍然具有良好的能量传递特性，漏电流较小。4.3强触发脉冲图10、图11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1us，保证了晶闸管的快速导通，强触发宽度为100us，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。5结论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，该方法解决了多路输出以及高压隔离的困难，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，减少了变压器绕组匝数，能量传递效率较高。驱动电路输出是具有强触发的触发信号，具有很陡峭的上升沿，保证器件的可靠导通。该驱动电路还适用于高压直流输电系统、各种电机调速系统和伺服系统、半导体中频电源系统等其它电力电子装置，具有广阔的应用前景。谢谢！图1三相桥式固态短路故障限流器主电路拓扑1TSi2TnT图2驱动电路供电方式整流滤波及稳压电路整流滤波及稳压电路整流滤波及稳压电路光纤信号光纤信号光纤信号触发电路触发电路触发电路方波电流源高频变压器整流滤波并联型线性稳压分压光纤信号比较器触发放大输出图3方框图1：N0iSiLimL0V图4变压器等效电路SVSi0VLi0iTtttt0t2t1t图5工作波形outV图6线性稳压及过流保护电路ini图7强触发电路图8方波电流源波形图9变压器副边输出电流波形图10驱动信号输出Vo图11上升沿展开波形铁心类型铁氧体92.12.350.650.1187.7铁基非晶650.292.350.610.1283()mLH()LiA()SIA21()IA22()IA(%)表1