新型高頻開(kāi)關(guān)充電電源研究

摘要：研究了適用于變電站直流系統的新型高頻開(kāi)關(guān)充電電源，闡述了針對變電站直流系統的充電電源主電路和控制系統的設計原則，并給出了設計方案。最后，對逆變控制電路進(jìn)行了詳細的討論。

關(guān)鍵詞：高頻開(kāi)關(guān)充電電源；主電路；控制系統；逆變控制電路

1引言

充電電源是直流電源系統的一個(gè)重要組成部分。目前，在國內市場(chǎng)上應用的充電電源主要有磁飽和充電機、晶閘管整流器和高頻開(kāi)關(guān)充電電源等三類(lèi)，其中前二者技術(shù)成熟，推廣應用的時(shí)間已久，使用面也很廣。但由于受控制技術(shù)和元器件特性的限制，仍存在許多不足之處，如體積龐大、笨重、效率低、可靠性差、系統紋波電壓大、不便于計算機監控等。

高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)是采用高頻功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術(shù)的新型功率變換技術(shù)。開(kāi)關(guān)電源的逆變單元工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。由于工作頻率高，電路中濾波電感及電容的體積可大大縮??；同時(shí)，高頻變壓器取代了工頻變壓器，則變壓器的體積減小、重量降低；另外,由于開(kāi)關(guān)管高頻工作，功率損耗小，因而開(kāi)關(guān)電源效率高。開(kāi)關(guān)管一般采用PWM控制方式，穩壓穩流特性較佳。將高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)應用于充電電源，不但有利于充電電源的小型化和高效化，而且易于產(chǎn)生極性相反的高頻脈沖電流，從而實(shí)現蓄電池脈沖快速充電。本文運用高頻開(kāi)關(guān)技術(shù)，設計了針對變電站直流系統的新型高頻開(kāi)關(guān)充電電源。 2高頻開(kāi)關(guān)充電電源主電路設計

高頻開(kāi)關(guān)充電電源的主電路主要由輸入整流、輸入濾波、高頻逆變、輸出整流、輸出濾波等環(huán)節構成。按照高頻交流信號與輸出直流信號間的耦合方式不同，可將主電路中的直流變換器（DC/DC）分為隔離型和非隔離型兩大類(lèi)。其中非隔離型DC/DC變換器又分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buckboost、Cuk)等幾種電路結構，隔離型DC/DC變換器又可分為單端正激式(Forward)、單端反激式(Flyback)、推挽式(Pushpull)、半橋式(HalfBridge)、全橋式(Bridge)等電路形式[1]。

2.1主電路選取原則

首先設定充電設備的運行方式為設備與蓄電池組并聯(lián)連接于直流母線(xiàn)上，正常運行時(shí)，充電設備承擔經(jīng)常性負荷，同時(shí)向蓄電池浮充電以補充其自放電的損失。

根據開(kāi)關(guān)電源的結構特征，結合蓄電池的使用性能及其充放電特性，并考慮到直流系統運行電壓的要求，確立了以下高頻開(kāi)關(guān)充電電源主電路的選取原則：

1)充電電源額定輸出電壓應為蓄電池組標稱(chēng)電壓的1.5倍以上，額定輸出電流應大于蓄電池組的額定充放電容量，同時(shí)還要滿(mǎn)足直流系統正常運行時(shí)控制母線(xiàn)和合閘母線(xiàn)所需功率容量;

圖1半橋式高頻開(kāi)關(guān)充電電源主電路

(a)充電電路(b)放電電路

圖2高頻開(kāi)關(guān)充電電源控制系統框圖

2)輸出電流、電壓在一定范圍內連續可調，并具有較好的穩流、穩壓特性;

3)使用高頻變壓器以隔離電網(wǎng);

4)變壓器線(xiàn)圈和磁芯利用率高、效率高;

5)輸入、輸出電流連續，以減輕輸入、輸出濾波任務(wù)，縮小裝置體積和降低對電網(wǎng)的損害;

6)具有較強的抗不平衡能力。

2.2主電路選型

依據上述選取原則，經(jīng)過(guò)對各類(lèi)型開(kāi)關(guān)電源主電路的分析比較，作者選取由雙端半橋式DC/DC變換器構成的功率變換電路作為高頻開(kāi)關(guān)充電電源的主電路形式，如圖1所示。

此電路中，EMI濾波器主要用于抑制交流電網(wǎng)與直流變換電路之間的高頻噪聲干擾。D1～D6構成三相橋式不可控整流電路，將380V交流電轉換為直流電，C0作濾波用，C1、C2、S1、S2、D01、D02構成半橋式DC/AC變換器，將直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流方波電壓，并經(jīng)高頻變壓器T送出。D7、D8、L、C3構成變壓器次級整流濾波環(huán)節。GB為蓄電池，S3為控制蓄電池放電的開(kāi)關(guān)管，R為放電電阻。充電電壓V0與開(kāi)關(guān)管S1、S2工作的占空比及變壓器次初級線(xiàn)圈匝數比成正比，即[2]V0=·VC0(1)

式中：tON為開(kāi)關(guān)管在一周期內的導通時(shí)間；

T為開(kāi)關(guān)周期。

因此，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的占空比就可調節輸出電壓。

充電時(shí)，S1、S2交替導通相等時(shí)段，以便產(chǎn)生等寬方波脈沖。放電時(shí)，關(guān)斷S1、S2，觸發(fā)S3導通，則蓄電池可通過(guò)電阻R放電，放電時(shí)間由S3導通時(shí)間決定。

半橋式高頻開(kāi)關(guān)充電電源主電路的主要特點(diǎn)是：

1)輸出功率可達幾kW，可滿(mǎn)足蓄電池充電的要求。

2)只有兩只開(kāi)關(guān)管進(jìn)行功率變換，簡(jiǎn)化了驅動(dòng)電路設計（相對全橋式電路而言）。