基于IGBT器件的大功率DC/DC电源技术方案

来源：IC猫  作者：IC猫2014年04月02日 14:16

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[导读] 本文介绍的是主要要求不可避免地需采用电源并联技术，即功率管并联或电源装置的并联。对于 20kA直流电源，若采用功率管IGBT并联，每个桥臂则至少需15只功率管并联，这不但给驱动带来很大困难，而且，在一般情况下，电流容量较大的功率管的电压容量也较大，在实际电压只有50V 的情况下，对功率管的电压容量而言，这是极大的浪费。该电源可用作EAST托卡马克装置中的大功率垂直位移快速控制直流电源。对该电源装置进行了仿真和实验，获得了较为满意的动静态性能。

关键词：大功率直流电源IGBT

　　随着电力电子技术的发展，很多场合需要大功率大电流的直流电源。EAST的磁约束核聚变装置使用的直流快控电源即是一种大功率直流电源，其技术要求为：电压响应时间1ms峰值电压50V;最大电流20kA，能实现4个象限的运行。针对此要求，不可避免地需采用电源并联技术，即功率管并联或电源装置的并联。对于20kA直流电源，若采用功率管IGBT并联，每个桥臂则至少需15只功率管并联，这不但给驱动带来很大困难，而且，在一般情况下，电流容量较大的功率管的电压容量也较大，在实际电压只有50V 的情况下，对功率管的电压容量而言，这是极大的浪费。因此，提出采用多米诺结构的DC/DC电源装置并联技术思路。

　　对电源并联系统的基本要求为：

　　1）在电网扰动或负载扰动下保持输出电压稳定；

　　2）各模块调制频率一致。若不一致，则产生低频脉动信号，增大输出电流和电压的纹波成分；

　　3）控制各模块电流，使其均分负载电流。

　　1 大功率直流电源的拓扑结构

　　DC/DC电源并联有两种拓扑结构，一种是采用输入直流母线结构，其系统结构框图如图1a所示，主要包括整流变压器和不可控二极管整流电路，N 路DC/DC变换器，泵升电压抑制电路等；另一种是采用独立的AC-DC/DC电源并联，系统结构图如图1b所示。

　　采用图1a所示的拓扑结构，系统需大容量不可调直流电源，一般可采用整流变压器降压，二极管整流并经电容滤波得到。这种结构虽可保证并联的每条支路有共同的直流电压输入，避免并联支路因直流侧输入电压不同而带来的不均衡，但该直流电源的容量大，电流达20KA，直流母线承受的负荷过重，前级AC-DC设备要求较高，不易实现。另外，输入端共用母线不利于实现完全意义上的独立电源模块的并联。因此，采用如图1b所示的AC-DC/DC直流电源并联的拓扑结构。

　　图1b所示的拓扑结构可保证每个AC-DC/DC电源模块的独立性，即可实现直流电源装置的并联，能够根据实际的电压，电流及功率的要求自由地增减模块的个数！在实际应用中有很大的空间，有一定的研究价值。但这种拓扑结构也有它不利的一面！即若变压器输出电压略有差别，则每个整流模块的输出电压将不同，从而造成各整流模块输出电流严重不平衡。

　　不过，这种不平衡可采取如下相应措施进行抑制：首先，在采用独立的AC-DC/DC电源并联时，应尽量做到每个模块的AC-DC/DC输出直流电压接近相等；其次，针对由于变压器输出电压不同造成的各整流模块输出电流的不平衡，可在DC/DC环节设置均流措施。DC/DC模块采用的是受限单极型脉宽调制方式（PDW），通过调节各DC/DC模块的占空比使各回路的负载趋于平衡。当电源模块给定电流正负切换时，可实现不同象限的运行，满足系统4象限运行的要求。

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• 第 1 页：基于IGBT器件的大功率DC/DC电源技术方案

• 第 2 页：大功率直流电源的控制方案

• 第 3 页：数据传输拓扑结构

• 第 4 页：结语

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