有源濾波裝置的雙向DC／DC變換器研制

摘要：為滿(mǎn)足強磁場(chǎng)裝置電源供電極低的電流紋波要求，采用了有源濾波裝置，設計了一種新型的雙向DC／DC變換器取代了以往有源電力濾波器(APF)中使用的水冷電阻，將多余能量回饋給系統，從而大大節約了能量損耗。首先簡(jiǎn)述了當今各種有源濾波技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹了并聯(lián)型線(xiàn)性APF的工作原理，接著(zhù)詳細分析了雙向DC／DC變換器的控制方案設計原理與工作過(guò)程，最后對該設計方案進(jìn)行了仿真與實(shí)驗驗證。由實(shí)驗波形可知，該雙向DC／DC變換器能夠順利實(shí)現能量的雙向流通。
關(guān)鍵詞：變換器；強磁場(chǎng)；有源電力濾波器

1 引言
強磁場(chǎng)一般是指強度超過(guò)20 T的穩態(tài)磁場(chǎng)或瞬間強度超過(guò)50 T的脈沖磁場(chǎng)。穩態(tài)強磁場(chǎng)裝置所需的高穩定度電源系統功率高達數千千瓦，而其直流側要求將負載的電流紋波限制在數十ppm以?xún)?，一般大功率電源中采用的由電感、電容組成的無(wú)源濾波裝置很難消除含量極低的非特征紋波，因此單純依靠無(wú)源濾波難以滿(mǎn)足該要求，需對大功率高穩定電源增加直流有源濾波裝置。直流有源電力濾波按補償的實(shí)現方法可分為線(xiàn)性有源濾波和脈寬調制(PWM)型有源濾波；按接入系統方式，可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型有源電力濾波。PWM型有源濾波的響應速度不夠快，串聯(lián)型有源濾波的功耗又太大，因此這里采用并聯(lián)型線(xiàn)性有源濾波。在該裝置中，通常使用水冷電阻給電容器進(jìn)行快速放電，這樣會(huì )造成很大的能量損耗，此處設計了一種新型雙向DC／DC變換器，不僅可以為濾波電容器充電，而且可以將電容器多余的能量回饋到電源側，取代了以往采用水冷電阻直接耗電的工作方式，從而減少了能量損耗，提高了工作效率。

2 并聯(lián)型線(xiàn)性APF工作原理介紹
并聯(lián)型線(xiàn)性APF電路如圖1所示。

圖中，Lf，Cf組成無(wú)源濾波電路，L0，R0為負載，APFS1，APFS2為兩組輔助電源，V1，V2為線(xiàn)性調整管，設兩電壓源對地電壓分別為UAPF+，UAPF。通過(guò)檢測Cf上的紋波電流作為兩個(gè)調整管的控制信號，控制APF產(chǎn)生雙向的補償電流。這里采用雙向DC／DC變換器來(lái)實(shí)現APFS2的功能。該變換器的穩定工作是并聯(lián)型線(xiàn)性APF可靠運行的重要部分。

無(wú)論電流正向還是反向流動(dòng)，工作時(shí)，雙向DC／DC變換器的兩端電壓均會(huì )存在很大壓差，從而保證能量順利傳輸。由圖2示出的線(xiàn)性APF系統電路可知，該雙向DC／DC變換器工作時(shí)，輸入端與輸出端電壓的差值始終為線(xiàn)性調整管的管壓降。故需采用一種新的控制方式來(lái)保證變換器可正常雙向工作，同時(shí)若要保證紋波電流能快速通過(guò)雙向變換器，變換器中電感參數的設計也尤為重要。圖中，電感L3為變壓器TX1的漏感與外接電感的組合，TX1的匝比設置為1．5：1。