DC-DC電源技術研究

DC/DC電源技術研究隨著電力電子技術的發(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，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。國I1/Fhjtt模班片軟的系統(tǒng)軸為爾國M屏It'ocilijiRirfiikiffcofhy^ieutpnrdkdizminueiinkLUIE-.'口我四］,■立沅坤綻的/IX-電理井版坨??和立八匚上愚8^良（^爵J日采用圖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DC/DC環(huán)節(jié)具有快速響