在高壓輸電、船舶逆變等應(yīng)用場(chǎng)合，由于電壓很高，系統(tǒng)對(duì)分立器件的絕緣性能有更高的要求?，F(xiàn)有方案通常采用多層級(jí)隔離方案，或者將隔離變壓器絕緣做大，這些極大增加了系統(tǒng)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)成本。
磁環(huán)取電式驅(qū)動(dòng)方案使用具有高絕緣性能的單根多芯硅膠導(dǎo)線穿過(guò)需要供電的副邊驅(qū)動(dòng)組，導(dǎo)線兩端均接在原邊電流源的輸出端子內(nèi)。通過(guò)控制流過(guò)硅膠導(dǎo)線的電流，原邊電流源實(shí)現(xiàn)對(duì)副邊驅(qū)動(dòng)組的供電。
該方案能夠滿足至少30kVac的絕緣耐壓需求，極大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的絕緣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本。但是，磁環(huán)取電方案的控制思路較為復(fù)雜，與一般開(kāi)關(guān)電源稍有不同，實(shí)際設(shè)計(jì)難度較大。
圖1 磁環(huán)取電式驅(qū)動(dòng)方案示意圖
電源原理簡(jiǎn)介
磁環(huán)取電式驅(qū)動(dòng)方案的供電方法與傳統(tǒng)高頻變壓器在基本原理上并無(wú)本質(zhì)差異，都是運(yùn)用了電磁感應(yīng)原理。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值E=4.44?f?Np?μ0?μr?Im?S/l， 其中f是頻率，Np是原邊匝數(shù)，μ0是真空磁導(dǎo)率，μr是相對(duì)磁導(dǎo)率，Im是原邊電流峰值，S是磁芯截面積，l是磁路長(zhǎng)度。
在磁芯與匝數(shù)均確定的條件下，只有頻率f與電流Im是控制器可以改變的。
傳統(tǒng)隔離開(kāi)關(guān)電源一般采用固定頻率的PWM控制。在負(fù)載不變的條件下，根據(jù)不同的輸入電壓情況，控制器通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓，本質(zhì)上也就是改變了原邊電流幅值。在IGBT驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方面，為了滿足原副邊的絕緣耐壓需求與追求盡可能小的耦合電容，開(kāi)關(guān)電源通常做成開(kāi)環(huán)。這也導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源只能在固定的頻率與占空比下工作；而為了得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓，輸入電壓則需固定在某一值。
磁環(huán)取電的電源方案采用的是固定電流幅值變頻的模式，使用數(shù)字控制芯片對(duì)原邊電流進(jìn)行峰值谷值控制。接入的驅(qū)動(dòng)器多或負(fù)載大時(shí)，輸出電流頻率增大；若接入的驅(qū)動(dòng)器少或負(fù)載小時(shí)，輸出電流頻率減小。這樣根據(jù)負(fù)載數(shù)量與負(fù)載大小的不同調(diào)整輸出電流頻率，既可滿足不同負(fù)載條件下的功率需求，又能一定程度減小損耗。
原邊電流源
根據(jù)電磁感應(yīng)原理，如果原邊控制選擇定頻定值模式，那邊副邊繞組耦合的能量也比較固定，這就與傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)隔離開(kāi)關(guān)電源相同，副邊在空載與滿載時(shí)的電壓會(huì)波動(dòng)。但是，如果僅為一個(gè)副邊繞組供電的話，不同負(fù)載狀態(tài)下的能量損失還是可以接受的。
然而，磁環(huán)取電的應(yīng)用目標(biāo)是要為十幾個(gè)負(fù)載同時(shí)供電，并且因?yàn)閱胃鶎?dǎo)線穿芯而過(guò)，磁環(huán)的能量耦合效率很低。這種情況下，空載時(shí)原邊的損耗與滿載時(shí)相同，效率損失過(guò)大，這種結(jié)果顯然無(wú)法接受。所以定頻定值模式是不可行的。
那么定頻變值模式是否可以呢？如果要改變?cè)呺娏髦?，也就是電流峰值，根?jù)電感特性公式U=L*di/dt可知，在電感確定的條件下，無(wú)非是改變電壓與時(shí)間（即占空比）其中之一。在本方案中，母線電壓與占空比均可由原邊數(shù)字控制器決定，但是在不建立額外的副邊到原邊的反饋通道的情況下，數(shù)字控制器根本無(wú)法知道何時(shí)改變電壓與占空比這兩個(gè)變量。所以，定頻變值模式依然是不可行的。
最后，變頻定值能否滿足我們的需求呢？
從電源的原理分析可知，在母線電壓對(duì)原邊繞組勵(lì)磁時(shí)，原邊繞組電流上升軌跡遵循電感基本特性，不受副邊負(fù)載影響。在電流上升至預(yù)設(shè)值后，母線勵(lì)磁通路斷開(kāi)，原邊繞組漏感Llk電壓會(huì)反向，其存儲(chǔ)的能量通過(guò)勵(lì)磁電感Lm、母線電容與對(duì)稱開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管（或寄生二極管）得到釋放；原邊繞組勵(lì)磁電感為維持磁通，在漏感能量釋放完畢后電壓反向，勵(lì)磁電流下降，最終完全退磁。
圖2 繞組簡(jiǎn)圖（a）
圖3 原邊電流波形圖（a）
CH1：原邊總電流；CH2：勵(lì)磁電感電流
無(wú)論是勵(lì)磁電感還是漏感，其能量釋放的速度均比較快。勵(lì)磁電感一直被鉗位在副邊整流后的直流電壓上，其電流下降軌跡受到副邊影響；且因?yàn)樵驯鹊脑蚨穗妷汉艿?，電流很小，所以可忽略。漏感是因?yàn)榛芈分写嬖谀妇€，相當(dāng)于母線電壓在對(duì)漏感復(fù)磁。那么，我們必須采取額外的措施，使漏感能量不經(jīng)由母線釋放。這樣才能讓其電流下降軌跡受到副邊負(fù)載的影響。
圖4 繞組簡(jiǎn)圖（b）
在母線勵(lì)磁通路斷開(kāi)后，通過(guò)內(nèi)部控制制造一低阻抗通路，讓漏感釋放能量。
圖5 原邊電流波形圖（b）
CH1：原邊總電流；CH2：勵(lì)磁電感電流
從圖5可以看出，為漏感建立額外的能量釋放通路后，其電流下降斜率明顯小了很多。因?yàn)槁└信c勵(lì)磁電感是串聯(lián)關(guān)系，漏感電流在維持原邊勵(lì)磁電感磁通的同時(shí)，也在向副邊負(fù)載提供著能量。如果負(fù)載變大，那么漏感電流下降斜率就會(huì)變大，反之亦然。如果通過(guò)設(shè)置原邊電流的峰值與谷值點(diǎn)作為基準(zhǔn)，對(duì)電流進(jìn)行控制，達(dá)到峰值時(shí)結(jié)束勵(lì)磁，電流降至谷值時(shí)切換至反向勵(lì)磁，如此循環(huán)工作。
圖6 原邊電流隨副邊負(fù)載變化示意圖
從圖6可以看出，在采取了以上措施后，我們得到了一個(gè)跟隨負(fù)載大小變化而頻率相應(yīng)變化的原邊電流。在負(fù)載變大時(shí)，原邊電流頻率增大，那么耦合至副邊的能量增多，從而滿足副邊功率需求，達(dá)到新的平衡；反之亦然。
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，單根導(dǎo)線穿芯得到的漏感很小，如果為少量的驅(qū)動(dòng)器供電，那么漏感存儲(chǔ)的能量過(guò)小，會(huì)使得原邊電流頻率偏大，不利于效率提升。所以，需要增加額外的電感Lr與電容Cr來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖7所示。
圖7 繞組簡(jiǎn)圖（c）
輸出結(jié)構(gòu)確定后，接下來(lái)的問(wèn)題是選擇半橋還是全橋？
因?yàn)樾枰獮槁└信c諧振電感提供一個(gè)低阻抗回路，那么如圖8所示，需要在母線中位點(diǎn)與輸出端使用開(kāi)關(guān)管連接。由此帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，原邊電流每一周期的兩次續(xù)流都從開(kāi)關(guān)管Q3經(jīng)過(guò)，Q3的熱應(yīng)力必然很大。如果并管或者使用更大規(guī)格的開(kāi)關(guān)管，從成本與物料選型上還不如使用全橋拓?fù)洹?
圖8 基于半橋拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)
如圖9，若使用全橋拓?fù)?，不用增加額外的器件，只需要在對(duì)管Q1與Q4或者Q2與Q3經(jīng)母線電壓勵(lì)磁后，再輪流同時(shí)打開(kāi)Q1與Q3或者Q2與Q4即可。既滿足低阻抗回路需求，又使四個(gè)開(kāi)關(guān)管均勻分擔(dān)損耗，有利于可靠性的提升。
圖9 基于全橋拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)
副邊穩(wěn)壓電源
硅膠導(dǎo)線穿過(guò)環(huán)形磁芯，流經(jīng)導(dǎo)線的原邊電流產(chǎn)生環(huán)繞導(dǎo)線的磁場(chǎng)，而其中部分是被磁環(huán)約束在其磁路內(nèi)的。磁環(huán)上均勻分布的副邊繞組感應(yīng)到磁環(huán)內(nèi)磁通的變化，繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。經(jīng)過(guò)后級(jí)全橋二極管整流，由電容平波形成直流電壓；再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓輸出我們需要的電壓，為負(fù)載供電。
圖10 副邊電源簡(jiǎn)圖
因?yàn)樵吙刂撇捎玫氖枪潭娏鞣底冾l的模式，所以副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是隨頻率的變化而變化的。這也可以理解為，副邊繞組耦合到的能量會(huì)隨著原邊電流頻率變化而變化。那么對(duì)于副邊繞組的負(fù)載來(lái)說(shuō)，必然存在多余的能量，這需要由額外的電流支路旁路掉，才不會(huì)引起負(fù)載端電壓波動(dòng)。
圖11 副邊穩(wěn)壓電路（a）
如圖11副邊穩(wěn)壓電路(a)所示，在負(fù)載前端增加一個(gè)開(kāi)關(guān)管，旁路來(lái)自繞組的多余的能量。但是這樣直接增加開(kāi)關(guān)管，在旁路多余能量的同時(shí)，負(fù)載端也在受到影響，須增加器件進(jìn)行隔離，使負(fù)載端不受旁路影響。
圖12 副邊穩(wěn)壓電路（b）
如圖12副邊穩(wěn)壓電路(b)所示，在負(fù)載與旁路開(kāi)關(guān)管之間增加一個(gè)二極管，以此達(dá)到目的；同時(shí)，二極管與負(fù)載之間再增加電容，穩(wěn)定負(fù)載供能。
在穩(wěn)壓器控制的選擇上，因?yàn)榫€性電路的效率低，尤其是在調(diào)整管電壓落差偏大時(shí)，所以我們優(yōu)先選擇開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器。那么旁路開(kāi)關(guān)管在飽和導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)阻很小，其與平波電容之間無(wú)任何阻隔，所以開(kāi)通時(shí)瞬態(tài)電流極大，可能損壞開(kāi)關(guān)管。因此，需要對(duì)該電流進(jìn)行抑制。
圖13 副邊穩(wěn)壓電路（c）
如圖13副邊穩(wěn)壓電路(c)所示，在旁路開(kāi)關(guān)管與平波電容之間增加一個(gè)電感，因電感電流不能突變，所以開(kāi)關(guān)管電流得到抑制。
到此，我們得到一個(gè)boost開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?，如圖14副邊穩(wěn)壓電路(d)所示。理所應(yīng)當(dāng)?shù)兀瑸樗渖峡刂破骱?，即得到了所需的穩(wěn)壓電路。
圖14 副邊穩(wěn)壓電路（d）
產(chǎn)品簡(jiǎn)介
基于以上闡述的原理，青銅劍技術(shù)推出高壓隔離電流源QTJCSP100，及配套的磁環(huán)取能壓接式IGBT驅(qū)動(dòng)器1QP0635V45-Q成套解決方案，并通過(guò)了一系列的EMC與可靠性實(shí)驗(yàn)。
圖15 高壓隔離電流源QTJCSP100原理框圖
高壓隔離電流源QTJCSP100在額定電壓48V輸入時(shí)，輸入功率最高可達(dá)100W，最多可同時(shí)為14個(gè)驅(qū)動(dòng)器供電，提供其驅(qū)動(dòng)所需功率。
QTJCSP100電流源具有以下功能與特點(diǎn)：
1. 寬范圍輸入48±25V
2. 電源軟啟動(dòng)功能
3. 輸入過(guò)流保護(hù)功能
4. 輸入欠壓與過(guò)壓保護(hù)功能
5. 輸出過(guò)流保護(hù)功能
6. 輸出斷線警告功能
7. 故障分類反饋
1QP0635V45-Q是一款專門針對(duì)4500V電壓等級(jí)的壓接式封裝IGBT/IEGT模塊（例如ABB，東芝，中車）開(kāi)發(fā)的磁環(huán)取能式即插即用型驅(qū)動(dòng)器。
圖16 副邊驅(qū)動(dòng)器1QP0635V45-Q原理框圖
1QP0635V45-Q驅(qū)動(dòng)器具有以下功能與特點(diǎn)：
1. 門極驅(qū)動(dòng)電壓可調(diào)
2. 分級(jí)開(kāi)通與關(guān)斷功能
3. 門極米勒鉗位功能
4. 門極欠壓與短路保護(hù)功能
5. 短路退飽和保護(hù)與軟關(guān)斷功能
6. 動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位功能
7. 故障分類反饋
圖17 磁環(huán)取能式驅(qū)動(dòng)器1QP0635V45-Q實(shí)物圖
