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电流馈电式功率处理概述
发表时间:2019-10-29   浏览次数:1072次

开关电源的高频运行大大减小了磁性元件的体积和重量,加快了对线性和负载扰动的快速反应能力。主要缺点是,开关器件的大量使用使得大功率开关式电源不如基于SCR技术的电源可靠性更高。

现在大量的功率电路拓扑结构应用于大功率开关模式技术的产品。最常见的配置包括三种功率转换级:

•交流-直流转换器,可将三相输入电转换为直流电压输出。

•直流-交流逆变器或转换器,可将直流总线上的电压转换为高频交流电压。

•二级交流-直流转换器,可将高频交流电压转换为直流电压。

除工作频率外,上述两种交流-直流转换器具有十分相似的功能;转换器主要由整流器、低通滤波器和阻尼器组成。阻尼器可限制开关的瞬变电压,并吸收寄生组件储存的能源。第二级——直流-交流转换器,可产生高频电压,以通常为20kHZ或更高的频率驱动变压器。变压器需要电阻隔离并产生由变压器匝比决定的输出电压。直流-交流转换器是最为复杂的一级,也是目前在生产的最多的功率处理技术拓扑结构。

多数大功率直流-交流转换器采用H-桥配置,以及四个功率器件用于高频变压器励磁。H-桥由脉宽调制(PWM)或其他调制策略控制,以产生有限脉宽或幅值的电压。H-桥的调制可产生可控输出电压。

直流-交流转换器拓扑结构分为三组:刚性开关转换器、柔性开关转换器和谐振转换器。这三种拓扑结构的主要区别在于换向周期(开关过度)内开关装置的负载线。正是在换向周期内,功率器件消耗了大部分电力。

硬性开关转换器使功率器件和/或阻尼器能够吸收转换能量。柔性开关转换器具有额外的无源电路来形成功率波形,以减少换向周期内的损耗。但减少换向损耗的优势随着电路复杂性的增加、额外的导通状态损耗(由于波形修改)以及对负载条件的敏感性而被抵消。谐振功率转换器具有高度协调的储能电路,因而使器件电压或电流呈正弦曲线分布,其优缺点与柔性开关转换器相似。谐振功率转换器为第二阶,较之柔性开关转换器,时序更为重要。

硬性开关、柔性开关和谐振转换器通常设计为基于直流电压源进行操作,因此通常称为电压馈电转换器。典型的情况是,电压馈电转换器易于解决当某一器件在另一串联连接的器件开启之前无法关闭时出现的直通问题。虽然可将保护电路设计为将灾难性危害最小化,但一般来说,该保护电路必须能够在一到两微秒内有效检测直通问题。器件参数的变化以及电压馈电转换器的异常调制均可造成半周电压失衡,从而导致变压器铁芯饱和。在功率半导体中可能损坏之前,保护电路对检测此类情况产生响应。

电流馈电式功率转换器【1】【-3】是电压馈电式转换器的电对偶,也是功率转换的另一种替代方案,但多数工程师对这个技术不太了解,所以没有被广泛应用。相比于电压馈电式转换器,这些功率转换器的优势是直通和半周期对称,不会造成器件故障或磁芯饱和。这是基于SCR 的转换器的特点,也是电流馈电式转换器趋于更加可靠的主要原因之一。电流馈电式转换器的主要缺点是需要第四功率转换级将直流总线电压转换为直流电流。虽然增加的转换级会更复杂性并增加损耗,但增加的功率转换级可让产品更高效。相比电压馈电式转换器,电流馈电式功率转换器的拓扑结构运用较少,主要的原因是由于成本的增加。本文描述了电压馈电式和电流馈电式转换器之间的差异,以及对造成功率半导体敏感易损的成因。也讨论了第四功率转换级—电压-电流转换器的应用问题。

MAGNA-POWER生产的SL系列;XR系列;TS系列;MSMT大功率机柜式系列,均采用可靠电流式功率处理,SL系列1U的尺寸中涵盖了99个型号,电压可达1000Vdc;XR系列在2U的尺寸中涵盖了136个型号,电压最高可达10000Vdc.