大功率或中功率電源系統(tǒng)往往需要獨(dú)立于主功率回路的輔助電源對(duì)其供電。輔助電源的輸出功率雖然不大，但它是一個(gè)電源系統(tǒng)中非常重要的部分，將影響到整個(gè)電源系統(tǒng)的性能。例如，一般的高壓變頻器都采用逆變單元串聯(lián)的方式，每個(gè)單元的對(duì)地絕緣電壓要求比較高。這就要求各逆變單元的輔助電源除滿足高穩(wěn)定性和高可靠性的基本要求外，要與主回路電源相互隔離，各個(gè)單元之間也必須相互隔離，并且隔離的電壓等級(jí)要求很高。

在電源系統(tǒng)中，控制、驅(qū)動(dòng)電路往往需要不同的電壓等級(jí)進(jìn)行供電，而同一電壓等級(jí)也需要多個(gè)輔助供電電源。為了滿足這種輔助供電的需求，通常將輸入的電網(wǎng)電壓直接變換成負(fù)載所需要的供電電壓，或者通過(guò)增加變換器的輔助繞組來(lái)增加輸出的路數(shù)，再用較長(zhǎng)的連線將轉(zhuǎn)換好的電壓連接到負(fù)載上。這種供電方式稱為集中式供電。

這種方法雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，供電獨(dú)立，但成本、體積、重量都會(huì)加大，且在需要有高電壓隔離的應(yīng)用場(chǎng)合，變壓器必須做特殊處理才能滿足高壓隔離的要求。

近年來(lái)，分布式的多路輸出結(jié)構(gòu)有了飛速的發(fā)展并且在一些電源系統(tǒng)中已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用。所謂分布式的電源系統(tǒng)是指將輸入的電網(wǎng)電壓變換成某一中間電壓作為母線，再在需要的地方用一批直流/直流(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器，將其變換成系統(tǒng)所需要的電壓。這可以大大的減小重量和體積，提高可靠性，還可以更好的控制達(dá)到各負(fù)載板上電源的質(zhì)量。

分布式電源系統(tǒng)的冗余性、擴(kuò)展性、靈活性也大大加強(qiáng)。但其也存在一定的問(wèn)題，就是在需要高壓隔離的場(chǎng)合，(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器一次側(cè)和二次側(cè)之間也必須達(dá)到需要滿足的絕緣耐壓要求，這就會(huì)使整個(gè)的成本增加。

在此基礎(chǔ)上，筆者提出了一種分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的設(shè)計(jì)方案，該裝置吸取了分布式輔助電源供電方式的優(yōu)點(diǎn)，并且改進(jìn)了其隔離性能，可以根據(jù)需要滿足不同電壓等級(jí)的絕緣耐壓要求。

1分布式高壓隔離輔助電源供電裝置硬件設(shè)計(jì)

由輔助電源供電裝置主回路電路、控制和檢測(cè)電路部分構(gòu)成。

1.1 輔助電源供電裝置主回路電路

圖1 供電電路原理框圖

如圖1所示，供電裝置的主回路進(jìn)線采用單相交流電源，經(jīng)二極管D1~4后整流為直流，再經(jīng)平波電容C1、C2濾波,得到一個(gè)直流電壓。在控制電路的作用下，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器（Q1、Q2）將直流電壓逆變成交流輸出，經(jīng)負(fù)載（L1,C4或C5）形成閉合回路，得到交流電流。

該交流電流直接穿過(guò)各個(gè)分支回路的磁芯，在二次回路中產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在二次線圈中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓之后產(chǎn)生能供其他設(shè)備使用的輔助電源。

主回路與各個(gè)分支回路之間僅通過(guò)磁環(huán)內(nèi)的交變磁場(chǎng)進(jìn)行能量傳遞，就相當(dāng)于一個(gè)有著多個(gè)副邊繞組的變壓器，一次繞組為穿過(guò)磁環(huán)的輸出線纜，二次繞組為各個(gè)分支回路磁環(huán)上的二次線圈。

一次繞組與二次繞組沒(méi)有直接電氣連接，僅在磁環(huán)處相距較近，只要交流線圈（即主回路逆變部分的輸出線纜）額定電壓足夠高，便可實(shí)現(xiàn)主回路與分支回路之間、各分支回路之間高隔離電壓的要求，比如，主回路逆變輸出采用額定電壓為10kV，2.5mm2的硅橡膠電纜,便可滿足10kV單元串聯(lián)式高壓變頻器的使用需要。

采用此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)有：

• 1)安裝靈活：主回路交流線圈只穿磁環(huán)一次，各個(gè)磁環(huán)可以方便的移動(dòng)到需要安裝的位置。
• 2)高隔離性能：一次側(cè)和二次側(cè)的電能通過(guò)交流線圈和磁環(huán)的電磁感應(yīng)流通，只要交流線圈的耐壓等級(jí)足夠，各個(gè)二次側(cè)的磁環(huán)電氣間隙足夠，就可以滿足現(xiàn)場(chǎng)高壓隔離的需求。
• 3)主回路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以消除大部分IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的諧波。其主回路交流線圈中的電流近似于正弦交流電流。
• 4)通過(guò)調(diào)整磁環(huán)二次側(cè)的繞線匝數(shù)可以方便的調(diào)整輸出輔助電源的電壓等級(jí)。
• 5)成本低。

1.2控制和檢測(cè)部分

控制和檢測(cè)部分如圖2所示，由電流檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、單片機(jī)[2]電路、IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路等組成。

圖2 控制和檢測(cè)部分原理框圖

單片機(jī)電路是整個(gè)裝置的核心處理部分，它實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的保護(hù)邏輯，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)IGBT的脈沖。它可以根據(jù)所檢測(cè)電流值、溫度值調(diào)整所給出的PWM脈沖信號(hào)。

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用金升陽(yáng)公司的驅(qū)動(dòng)芯片QP12W05S-37，主要接收單片機(jī)給出的PWM信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖，從而控制主電路的線圈電流。該驅(qū)動(dòng)芯片可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IGBT、隔離主回路和控制回路、實(shí)現(xiàn)過(guò)流和短路保護(hù)等功能。

電流檢測(cè)交流線圈中的電流大小，返回給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)主回路的過(guò)載保護(hù)。

溫度檢測(cè)電路檢測(cè)IGBT的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的過(guò)溫保護(hù)，防止IGBT因?yàn)楣ぷ髟谶^(guò)溫狀態(tài)而損壞。

2主回路電路部分仿真

根據(jù)上面介紹的主電路結(jié)構(gòu)搭建電路，并用Matlab進(jìn)行了仿真。仿真模型的建立如圖3所示：

圖3 主回路仿真原理圖

其中的電源部分沒(méi)有用整流濾波電路，直接采用一個(gè)312V直流電源加上一個(gè)100mH的電感L3代替交流220V整流濾波電路作為仿真電路的電源，這并不影響仿真的真實(shí)性?；パa(bǔ)脈沖的產(chǎn)生是用兩個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的，其中一個(gè)延時(shí)半個(gè)周期。然后在仿真的時(shí)候用示波器監(jiān)測(cè)負(fù)載電感的電壓、電流和兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖。

圖4 主回路仿真電壓、電流和兩路IGBT互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)脈沖

在把占空比調(diào)節(jié)到50%的時(shí)候，仿真結(jié)果如圖4所示，自上而下依次是圖2中L兩端的電壓波形、電流波形、和兩路IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖。其中四路波形的橫坐標(biāo)均為時(shí)間，單位是0.001s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用Fluke 43B電能質(zhì)量分析儀實(shí)際測(cè)得圖1中L1的電流、電壓波形如圖5所示，其中波線①為電流波形，波線②為電壓波形，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，每大格250ms。整個(gè)主回路實(shí)際運(yùn)行與仿真結(jié)果稍有差異，但差別不大，實(shí)測(cè)波形優(yōu)于仿真波形，更接近正弦波。

圖5 主電路電壓、電流波形

4 軟件部分實(shí)現(xiàn)

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的主程序軟件流程圖如圖6所示。整個(gè)裝置上電后先初始化和自檢，自檢沒(méi)有問(wèn)題之后先給主回路輸出一個(gè)占空比比較小的驅(qū)動(dòng)脈沖，逐漸調(diào)整脈沖的占空比主回路的電流穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，保證裝置的穩(wěn)定性，而后監(jiān)測(cè)供電電流，如出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)溫之類的故障，則會(huì)報(bào)警停機(jī)，保護(hù)整個(gè)裝置。

整個(gè)程序中也添加了許多抗干擾技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)，防止程序跑飛，使整個(gè)裝置更加可靠、穩(wěn)定。

圖6 高壓帶電體溫度檢測(cè)裝置的軟件流程圖

5 結(jié)論

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室搭建并試驗(yàn)成功，各路分支回路的輸出電壓穩(wěn)定、可靠。主回路電流線圈采用10kV的絕緣電纜，可以供給10kV及以下電壓等級(jí)的電源系統(tǒng)使用，電氣絕緣性能可靠并且可以通過(guò)更換主回路的電流線圈滿足更高絕緣電壓等級(jí)的要求。

并且該裝置所輸出輔助電源的部分體積小、成本低，可以直接放置到電源系統(tǒng)需要輔助電源的電路板上面，也可以通過(guò)接線的方式連接到需要輔助電源供電的地方，安裝方便。

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置很好的解決了傳統(tǒng)輔助電源隔離性能差的問(wèn)題，可以根據(jù)需要滿足不同電壓等級(jí)的絕緣耐壓要求，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用前景。

本文編自《電氣技術(shù)》，作者為宋峰、吳建華 等。