大功率DC电源

几十千瓦功率的开关电源在过去的几十年正在慢慢地替代可控硅整流器（SCR）基拓朴，其优缺点是显而易见的。
开关电源的高频工作使得磁元件的尺寸和重量减小并对线路和负载干扰有较快的响应时间。在低侧，大功率开关电源对开关器件可靠性的要求比SCR基所对应的部件要小。
现在，大功率开关电源系用很多功率电路拓朴。最常用的配置包括如下3种功率转换级：
?AC-DC转换器—把3相输入电源转换为一个DC电压。
?DC-AC转换器蜒把DC总线上的电压转换为一个高频AC电压。
?次级AC-DC转换器—把高频AC电压转换为DC电压。
两个AC-DC转换器除工作频率外其他功能是很相似的。转换器主要的组成部分是：整流器、低通滤波器和缓冲器。缓冲器限制开关瞬态电压和存储在寄生元件中的吸附能量。
第2级的DC-AC转换器产生一个高频电压（20KHz或更高），通常用于驱动一个变压器。变压器用于电阻隔离和产生由变压器匝数比决定的输出电压。DC-AC转换器是最复杂的一级，而在产品中有很多的功率处理拓扑。
大多数大功率DC-AC转换器为了激励高频变压器都采用H桥配置（4个功率器件）。由脉宽调制（PWM）或其他调制方法控制H桥来产生限脉宽或限幅电压。H桥调制产生一个可控输出电压。
DA-AC转换器拓扑分为三种：硬开关、软开关和谐振。这三种拓扑的主要差别是在转换期间（开关转换）开关器件的负载线路。在转换期间，功率器件消耗大部分的功率。
硬开关转换器可使功率器件和缓冲器吸收转换能量。软开关转换器有另外的无源电路来整形功率波形以降低转换期间的损耗。谐振功率转换器具有调谐储能电路，能使器件电压或电流达到正弦。
硬开关，软开关和谐振转换器设计成由DC电压启动，通常称之为电压馈电转换器。电压馈电转换器，其特性易于出现快速直通问题，在其他串联器件导通前未能关闭时可能会出现这样的问题。
可设计保护电路使灾难性问题最小，通常这样的保护电路在1~2祍内必须有效地检测快速直通问题。器件参量的变化和电压馈电转换器的不规则调制可导致半周期电压不相等，引起变压器磁芯饱和，保护电路也必须具有快速响应，以便在功率半导体器损坏能检测这些条件。
电压馈电转换器的电孪生转换器是电流馈电功率转换器。电流馈电转换器比电压馈电转换器优越的地方是快速直通和半周期不对称不可能导致器件失效或磁芯饱和。这是SCR基转换器的特性和电流馈电为什么更耐用的一个主要原因。
电流馈电转换器的主要缺点是需要一个第4功率转换级把DC总线电压转换为DC电流。增加级数会导致附加的复杂性和损耗。由于成本原因，电流馈电转换器拓扑实现起来比电压馈电拓扑更少。

电压馈电转换器特性
图1示出一个简化的电压馈电转换器。这种转换器包括：H桥，绝缘栅双板晶体管（IGBT）Q1-Q4，电源变压器T1和输出整流二极管D5~D8。输入电压源可以是电池，DC电源或整流的AC总线。

图1 电压馈电转换器

图2 电流馈电转换器

实际上，需要电容器C1来保证在较高频率有一个低阻抗总线。电感器L1和电容器C2构成一个低通滤波器，以去除输出的AC分量。
以通常的硬开关PWM方法，Q1和Q4在半周期部分导通、Q2和Q3在另一个半周期部分导通。这同样地激励变压器T1交替半周期。变压器次级上的平均整流电压正比于IGBT的导通周期。电压馈电转换器的定时是关键。假若IGBT的Q1和Q2或Q3或Q4同时导通，则导通器件中的电流迅速上升，导致器件在几微秒失效。为了避免这种危险的工作条件，设计人员在调制电路中引入导通延迟，监控DC总线电压并感测功率器件的导通条件。
为了成功实现这种方案，电路必须能响应高速故障和对电噪声不敏感。在功率为几千瓦时这是难于解决的问题。
电压馈电转换器的另一个问题是由导通电压变化，上升和下降时间的差别以及错误的开关转换状态所引起的DC电压。用直流电压激励变压器，会导致磁芯饱和和功率器件失效。避免严重事件的典型方法是在变压器中有空气隙，加入与变压器初级线圈串联的DC隔直电容器以及逐周期电流平衡采用电流模式调制。

电流馈电转换器特性
电流馈电转换器是电压馈电转换器的电对偶。如图2所示，电流馈电转换器由H桥、IGBT Q1~Q4、电源变压器T1和输出整流器二极管D5~D8组成。必须用另外功率电子电路产生输入电流源。
通常的做法是需要电感器L1以保证在较高频率有高抗阻总线。电流馈电转换器不像电压馈电转换器，其输出滤波器由单个元件（电容器C1）组成。
电流馈电转换器工作的电压和电流波形与电压馈电转换器工作模式互换。工作要求IGBT Q1~Q4为PWM工作，但在工作时限定Q1和Q3或Q2和Q4决不允许同时处在非导通状态。
这种限定可保证H桥的输入阻抗总是限定的。另外，电流源馈入开路电流将产生一个破坏高电压。变压器次级上的平均整流电流产生一个正比于IGBT导通周期的DC输出电流。
由电流PWM波形激励的变压器T1基本上敏感于导通电压变化、上升和下降时间差和错误的开关状态。用电流馈电转换器，可避免磁芯饱和，只要安匝激励是在正常工作的限制内（甚至电流是DC）就行。
电流馈电转换器有一个缺点：电流源不是现有的，必须从电压源产生。采用降压转换器或斩波器是显而易见的选择，这是因为它们在功率半导体中是非常有效的。
用这个附加的功率转换级，可以把控制放置在电流馈电转换器、斩波器或两者之中。图3示出包括3相输入整流器、斩波器、电流馈电转换器和输出整流器的大功率转换器。

图3 整流器、斩波器和电流馈电转换器

与输入斩波器组合的电流馈电转换器的新颖特性是在反常工作条件下的性能。变压器T1，IGBT Q1~Q5和二极管D1~D8都可工作在短路状态，具有系统级保护。
在这样的条件下，电流的上升率是加在电感器L1上电压的函数。电感器L1典型值以保持峰—峰纹波电流在最大值系数内为准。只要在斩波器开关转换期间发生系统停机，就可以很好地控制峰值电流。允许延长失效检测周期可使失效保护电路良好滤波，使得在高电子噪声环境下有可靠无噪扰跳闸工作。
用斩波器和电流馈电转换器组合，电路可以相互保护来自非正常大电流。由斩波器停机可以保护转换器级中的失效，而由电流馈电转换器停机可以保护斩波器中的失效。
在电路中加闭锁二极管D16可以避免上述电流馈电转换器开关转换状态下的限制。此元件为IGBT Q1和Q3或Q2和Q4提供器件关闭时的电流返回通路。二极管D16箝位H桥最大关闭电压到跨接在电容器上的电压。

结语
电压馈电转换器通常具有跨接在输入电容器上的串联连接功率器件。非正常开关转换状态可能使器件同时导通，引起电流迅速增大。另外，电压馈电转换器可产生DC偏移，导致主变压器磁芯饱和。
在这些条件下为了保护功率半导体器件，需要高速失效检测。在高噪声环境下保护功率半导体器件是困难的。
电流馈电转换器是电压馈电转换器的电对偶，喜欢短路状态而不是工作的开路状态。这种拓扑不可能产生快速上升电流尖峰，在错误条件下也可能引起磁芯饱和。电流馈电转换器工作具有SCR基电源的坚固性，但在高频需要附加的功率处理级来控制和增强系统保护。■（京湘）