IGBT器件的大功率DC/DC電源并聯(lián)技術(shù)研究
[導讀]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，很多場合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源，其技術(shù)要求為：電壓響應時間1ms峰值電壓50V;最大電流20kA，能實現(xiàn)4個象限的運行。針對此要求，不可避免地需采用電源并聯(lián)技術(shù)，即功率管并聯(lián)或電源裝置...
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，很多場合需要大功率大電流的直流電源。EAST的磁約束核聚變裝置使用的直流快控電源即是一種大功率直流電源，其技術(shù)要求為：電壓響應時間1ms峰值電壓50V;最大電流20kA，能實現(xiàn)4個象限的運行。針對此要求，不可避免地需采用電源并聯(lián)技術(shù)，即功率管并聯(lián)或電源裝置的并聯(lián)。對于20kA直流電源，若采用功率管IGBT并聯(lián)，每個橋臂則至少需15只功率管并聯(lián)，這不但給驅(qū)動帶來很大困難，而且，在一般情況下，電流容量較大的功率管的電壓容量也較大，在實際電壓只有50V 的情況下，對功率管的電壓容量而言，這是極大的浪費。因此，提出采用多米諾結(jié)構(gòu)的DC/DC電源裝置并聯(lián)技術(shù)思路。
對電源并聯(lián)系統(tǒng)的基本要求為：1)在電網(wǎng)擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩(wěn)定;2)各模塊調(diào)制頻率一致。若不一致，則產(chǎn)生低頻脈動信號，增大輸出電流和電壓的紋波成分;3)控制各模塊電流，使其均分負載電流。
1 大功率直流電源的拓撲結(jié)構(gòu)
DC/DC電源并聯(lián)有兩種拓撲結(jié)構(gòu)，一種是采用輸入直流母線結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示，主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路，N 路DC/DC變換器，泵升電壓抑制電路等;另一種是采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。
采用圖1a所示的拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)需大容量不可調(diào)直流電源，一般可采用整流變壓器降壓，二極管整流并經(jīng)電容濾波得到。這種結(jié)構(gòu)雖可保證并聯(lián)的每條支路有共同的直流電壓輸入，避免并聯(lián)支路因直流側(cè)輸入電壓不同而帶來的不均衡，但該直流電源的容量大，電流達20KA，直流母線承受的負荷過重，前級AC-DC設備要求較高，不易實現(xiàn)。另外，輸入端共用母線不利于實現(xiàn)完全意義上的獨立電源模塊的并聯(lián)。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖1b所示的拓撲結(jié)構(gòu)可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性，即可實現(xiàn)直流電源裝置的并聯(lián)，能夠根據(jù)實際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個數(shù)!在實際應用中有很大的空間，有一定的研究價值。但這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它不利的一面!即若變壓器輸出電壓略有差別，則每個整流模塊的輸出電壓將不同，從而造成各整流模塊輸出電流嚴重不平衡。
不過，這種不平衡可采取如下相應措施進行抑制：首先，在采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)時，應盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等;其次，針對由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡，可在DC/DC環(huán)節(jié)設置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調(diào)制方式(PDW)，通過調(diào)節(jié)各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨于平衡。當電源模塊給定電流正負切換時，可實現(xiàn)不同象限的運行，滿足系統(tǒng)4象限運行的要求。
2 大功率直流電源的控制方案
在托卡馬克快控電源的應用中，要求電源輸出電流實時跟蹤給定電流曲線。因此，該電源系統(tǒng)是電流隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的快速性將是一較重要的性能指標。而控制方式的選擇將影響整個系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能指標。
為更好提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標的精度，實現(xiàn)電流跟隨性，采用兩級電流控制(圖2)，即總電流環(huán)和模塊電流環(huán)相互配合，不僅可提高性能指標，且可實現(xiàn)各模塊電流的均衡。
外環(huán)的主要功能是實現(xiàn)電流的實時跟蹤，采用反饋加前饋的復合控制方式。復合控制中的前饋控制不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但卻可在不增大開環(huán)增益的情況下大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能。為達到控制效果。又不使前饋通道的結(jié)構(gòu)變得復雜。前饋控制采用的是輸入信號的一階導數(shù)，且加到信號的輸入端。內(nèi)環(huán)模塊電流環(huán)的主要功能如下。1)改造控制對象的傳遞函數(shù)。2)限制電流最大輸出，同時又實現(xiàn)各電源模塊的均流。
3 數(shù)據(jù)傳輸拓撲結(jié)構(gòu)
EAST等離子體垂直位移快控電源的均流是裝置并聯(lián)的一重要問題。監(jiān)控計算機和電源模塊的CPU數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式(圖3)，即由每一電源模塊的CPU 負載實現(xiàn)各自的電流控制，并向監(jiān)控計算機發(fā)送該電源模塊狀態(tài)信息，監(jiān)控計算機的作用是實現(xiàn)對各電源模塊的統(tǒng)一管理，包括向每個電源模塊發(fā)送啟動和停止指令。發(fā)送電流給定信號，采集直流輸出總電流，總電壓，交流輸入電壓及各電源模塊的交流電壓電流，直流輸出電流，溫度，熔絲斷，門禁等物理量等。同時與上一級EAST總控計算機及系統(tǒng)各電源模塊進行通訊，完成各種數(shù)據(jù)信息的自動上報，下報。模塊的自動切除與投入等任務。監(jiān)控計算機給每個電源模塊傳輸相同的給定電流!在電源模塊電流環(huán)的調(diào)節(jié)控制作用下，通過單片機的軟件編程，實現(xiàn)輸出相同的負載電流!獲得較好的均流效果。
4 結(jié)語
對于類似托卡馬克快控電源這樣的大容量且對其，象限運行和電流跟蹤有較高要求的電源系統(tǒng)，可采用多個獨立的中小容量的電源模塊通過并聯(lián)來滿足電源總?cè)萘康男枨?。多電源的并?lián)面臨的一個關(guān)鍵問題是各組成模塊之間的均流。利用電源模塊的智能化和自動控制系統(tǒng)理論，使電源的各個組成模塊成為具有電流跟蹤能力的閉環(huán)系統(tǒng)!由控制規(guī)律而非硬件來實現(xiàn)各模塊之間的均流。如此形成的系統(tǒng)也將能夠滿足快控電源的快速電流跟蹤要求。這種設計方案所以能夠得到實現(xiàn)。關(guān)鍵在于具備了以下條件：
1)單片機在電源模塊和并聯(lián)系統(tǒng)中的嵌入式應用實現(xiàn)了裝置的智能化，大大提高了模塊調(diào)制頻率的一致性。有利于減小輸出電壓，電流的低頻紋波，克服了傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)各模塊調(diào)制頻率一致性的缺點。
2)采用PWM技術(shù)DC/DC環(huán)節(jié)具有快速響應能力;
3)基于控制理論的電流跟蹤技術(shù)能以硬件均流不同的思路實現(xiàn)模塊之間的均流，通過監(jiān)控計算機的控制，向各模塊CPU 傳送相同的電流給定。實現(xiàn)電源模塊的靜態(tài)均流。
在需要大功率輸出的場合。此系統(tǒng)具有良好的應用前景。符合電源系統(tǒng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢。
END
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對電源并聯(lián)系統(tǒng)的基本要求為：1)在電網(wǎng)擾動或負載擾動下保持輸出電壓穩(wěn)定;2)各模塊調(diào)制頻率一致。若不一致，則產(chǎn)生低頻脈動信號，增大輸出電流和電壓的紋波成分;3)控制各模塊電流，使其均分負載電流。
1 大功率直流電源的拓撲結(jié)構(gòu)
DC/DC電源并聯(lián)有兩種拓撲結(jié)構(gòu)，一種是采用輸入直流母線結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1a所示，主要包括整流變壓器和不可控二極管整流電路，N 路DC/DC變換器，泵升電壓抑制電路等;另一種是采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。
采用圖1a所示的拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)需大容量不可調(diào)直流電源，一般可采用整流變壓器降壓，二極管整流并經(jīng)電容濾波得到。這種結(jié)構(gòu)雖可保證并聯(lián)的每條支路有共同的直流電壓輸入，避免并聯(lián)支路因直流側(cè)輸入電壓不同而帶來的不均衡，但該直流電源的容量大，電流達20KA，直流母線承受的負荷過重，前級AC-DC設備要求較高，不易實現(xiàn)。另外，輸入端共用母線不利于實現(xiàn)完全意義上的獨立電源模塊的并聯(lián)。因此，采用如圖1b所示的AC-DC/DC直流電源并聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)。
圖1b所示的拓撲結(jié)構(gòu)可保證每個AC-DC/DC電源模塊的獨立性，即可實現(xiàn)直流電源裝置的并聯(lián)，能夠根據(jù)實際的電壓，電流及功率的要求自由地增減模塊的個數(shù)!在實際應用中有很大的空間，有一定的研究價值。但這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它不利的一面!即若變壓器輸出電壓略有差別，則每個整流模塊的輸出電壓將不同，從而造成各整流模塊輸出電流嚴重不平衡。
不過，這種不平衡可采取如下相應措施進行抑制：首先，在采用獨立的AC-DC/DC電源并聯(lián)時，應盡量做到每個模塊的AC-DC/DC輸出直流電壓接近相等;其次，針對由于變壓器輸出電壓不同造成的各整流模塊輸出電流的不平衡，可在DC/DC環(huán)節(jié)設置均流措施。DC/DC模塊采用的是受限單極型脈寬調(diào)制方式(PDW)，通過調(diào)節(jié)各DC/DC模塊的占空比使各回路的負載趨于平衡。當電源模塊給定電流正負切換時，可實現(xiàn)不同象限的運行，滿足系統(tǒng)4象限運行的要求。
2 大功率直流電源的控制方案
在托卡馬克快控電源的應用中，要求電源輸出電流實時跟蹤給定電流曲線。因此，該電源系統(tǒng)是電流隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)的快速性將是一較重要的性能指標。而控制方式的選擇將影響整個系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)性能指標。
為更好提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標的精度，實現(xiàn)電流跟隨性，采用兩級電流控制(圖2)，即總電流環(huán)和模塊電流環(huán)相互配合，不僅可提高性能指標，且可實現(xiàn)各模塊電流的均衡。
外環(huán)的主要功能是實現(xiàn)電流的實時跟蹤，采用反饋加前饋的復合控制方式。復合控制中的前饋控制不影響原系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但卻可在不增大開環(huán)增益的情況下大幅提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能。為達到控制效果。又不使前饋通道的結(jié)構(gòu)變得復雜。前饋控制采用的是輸入信號的一階導數(shù)，且加到信號的輸入端。內(nèi)環(huán)模塊電流環(huán)的主要功能如下。1)改造控制對象的傳遞函數(shù)。2)限制電流最大輸出，同時又實現(xiàn)各電源模塊的均流。
3 數(shù)據(jù)傳輸拓撲結(jié)構(gòu)
EAST等離子體垂直位移快控電源的均流是裝置并聯(lián)的一重要問題。監(jiān)控計算機和電源模塊的CPU數(shù)據(jù)傳輸采用主從方式(圖3)，即由每一電源模塊的CPU 負載實現(xiàn)各自的電流控制，并向監(jiān)控計算機發(fā)送該電源模塊狀態(tài)信息，監(jiān)控計算機的作用是實現(xiàn)對各電源模塊的統(tǒng)一管理，包括向每個電源模塊發(fā)送啟動和停止指令。發(fā)送電流給定信號，采集直流輸出總電流，總電壓，交流輸入電壓及各電源模塊的交流電壓電流，直流輸出電流，溫度，熔絲斷，門禁等物理量等。同時與上一級EAST總控計算機及系統(tǒng)各電源模塊進行通訊，完成各種數(shù)據(jù)信息的自動上報，下報。模塊的自動切除與投入等任務。監(jiān)控計算機給每個電源模塊傳輸相同的給定電流!在電源模塊電流環(huán)的調(diào)節(jié)控制作用下，通過單片機的軟件編程，實現(xiàn)輸出相同的負載電流!獲得較好的均流效果。
4 結(jié)語
對于類似托卡馬克快控電源這樣的大容量且對其，象限運行和電流跟蹤有較高要求的電源系統(tǒng)，可采用多個獨立的中小容量的電源模塊通過并聯(lián)來滿足電源總?cè)萘康男枨?。多電源的并?lián)面臨的一個關(guān)鍵問題是各組成模塊之間的均流。利用電源模塊的智能化和自動控制系統(tǒng)理論，使電源的各個組成模塊成為具有電流跟蹤能力的閉環(huán)系統(tǒng)!由控制規(guī)律而非硬件來實現(xiàn)各模塊之間的均流。如此形成的系統(tǒng)也將能夠滿足快控電源的快速電流跟蹤要求。這種設計方案所以能夠得到實現(xiàn)。關(guān)鍵在于具備了以下條件：
1)單片機在電源模塊和并聯(lián)系統(tǒng)中的嵌入式應用實現(xiàn)了裝置的智能化，大大提高了模塊調(diào)制頻率的一致性。有利于減小輸出電壓，電流的低頻紋波，克服了傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)各模塊調(diào)制頻率一致性的缺點。
2)采用PWM技術(shù)DC/DC環(huán)節(jié)具有快速響應能力;
3)基于控制理論的電流跟蹤技術(shù)能以硬件均流不同的思路實現(xiàn)模塊之間的均流，通過監(jiān)控計算機的控制，向各模塊CPU 傳送相同的電流給定。實現(xiàn)電源模塊的靜態(tài)均流。
在需要大功率輸出的場合。此系統(tǒng)具有良好的應用前景。符合電源系統(tǒng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢。
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