1 引言
電力電子技術的迅猛發展，使得電力電子裝置的應用越來越廣泛。目前，在電力電子裝置中，在需要隔離電源的地方，均設置獨立的包括原、副邊電路的整套工作電源，電路復雜，效率低，體積大，成本高，可靠性低；有些電力電子裝置使用帶有電壓泵的專用單電源驅動電路，可以省掉復雜的多路隔離輔助電源，但由于這種專用電路的局限性，不能適用于高電壓、大功率和其它有特殊需要的場合。文獻[1]提出的用于電力電子裝置的多路輸出隔離電源驅動電路，采用了分布式供電方式，使用一套主電路就可以產生多組彼此隔離的副邊電壓，和其他形式的電源相比，在輸出功率和輸出路數相等的情況下，具有體積小，重量輕，效率高，可靠性高等顯著優點。而且由于采用具有獨立磁路的副邊繞組的變壓器，副邊繞組個數也就是輸出隔離電源的路數的增減非常方便，特別是當輸出隔離電源的路數較多時，該電源的優勢就更為明顯。
文獻[2]提出的三相橋式固態短路故障限流器，適用于電壓等級較高的電網,電路如圖1所示，為了增加耐壓等級，電路中各晶閘管均采用多個串聯的形式，增加了隔離輸出路數，本文將隔離電源應用于該限流器中，實驗結果驗證了電路工作的可靠性。
圖1 三相橋式固態短路故障限流器
2 系統結構
多路輸出隔離電源驅動電路如圖2所示，它利用一組公用的交流母線，在主電路需要輔助電源的地方進行高頻變壓器隔離變換并經整流，濾波，穩壓后變成所需要的直流電壓。分布式供電方法解決了多路隔離輸出的困難，并且在實際電路中它與供電對象之間可以靠得很近，減小了被干擾的機會。隔離變壓器的絕緣電壓也可以做得比較高，原副邊的分布電容比較小。
圖2 多路輸出驅動電路供電方式
3 工作原理
驅動電路的結構框圖如圖3所示。虛線框1內為整流及線性穩壓電路，虛線框2內為具有強觸發的驅動電路。
圖3 驅動電路的結構框圖
3.1 高頻變壓器等效電路
高頻變壓器等效電路如圖4所示。其中Lm為變壓器原邊激磁電感，變壓器變比為1：N，is為高頻方波電流源，Vo為變壓器輸出電壓，io為變壓器輸出電流。由于變壓器原邊繞組只有一匝，所以有
Lm=
（1）
當占空比D=0.5時，變壓器的工作波形如圖5所示。
圖4 變壓器等效電路
圖5 變壓器工作波形
[t0－t1]階段，Vo為高電平，iL線性上升，其增量為
ΔiL1=
dt=
(t1－t0)=
DT=
（2）
[t1－t2]階段，Vo為低電平，iL線性下降，其增量為
ΔiL2=－ΔiL1=－
（3）
輸出電流為
io=
（4）
3.2 線性穩壓及過流保護電路
由于供電電源是電流源信號，穩壓電路采用了并聯型線性穩壓方式，電路如圖6所示。R1起限流作用，R2，R3，R4和Z1組成穩壓電路，Z1采用TL431精密穩壓管，R5，V1和S1組成過流保護電路，當輸入電流過大時，V1導通，S1柵極為高電平而導通，從而限制了流過Z1的電流，保護了后級電路。
圖6 線性穩壓及過流保護電路
3.3 強觸發電路
強觸發電路如圖7所示。當輸入下降沿到來時，由于電容兩端電壓不能突變，點2電位變為低電平，輸出強觸發脈沖，下降沿結束后，電容開始充電，點2電位上升，當V2>Vref時，強觸發結束。強觸發寬度τ按式（5）計算。
τ=－(R1＋R2)C1ln
（5）
式中：V1O為電容開始充電時點1電壓；
V1C為比較器翻轉時點1臨界電壓。
圖7 強觸發電路
4 實驗結果
采用如圖1所示的三相橋式固態短路故障限流器，隔離電源的參數如下：高頻變壓器工作頻率為100kHz，原邊1匝，副邊兩路輸出，分別為3匝和1匝。主路輸出經過整流，濾波，穩壓后變成所需要的直流電壓。輔路輸出經整流，濾波后變為負電平，為晶閘管的關斷提供反向電流，加速關斷過程。圖8為輸入方波電流源波形。圖9為副邊電流波形。
圖8 方波電流源波形
圖9 變壓器副邊輸出電流波形
增大Lm可以降低磁滯損耗，減小鐵心損耗，提高變壓器傳輸效率。在鐵心尺寸大小相同的情況下，由式（1）可知，選擇相對磁導率μr較大的鐵心可以增大Lm。非晶鐵心由于具有很高的相對磁導率，可以很好地降低鐵心的磁滯損耗。圖10為非晶和鐵氧體鐵心變壓器的副邊主路輸出電流波形。由圖10可知，非晶鐵心電流波形的波頭下降率較低，即ΔiL較小。
圖10 非晶與鐵氧體副邊主路輸出電流波形比較
實測電流值及電路工作效率等見表1所列。其中Lm為激磁電感；ΔiL為激磁電感上電流增量；Is為原邊電流有效值；I21及I22分別為副邊輸出電流有效值；η為變壓器轉換效率。由表1可發現，非晶鐵心雖然具有較大的激磁電感，但由于非晶鐵心具有很低的電阻率，在開關頻率較高的情況下，渦流損耗很大，使得總損耗較鐵氧體高。由表1還可看出，雖然變壓器繞組匝數很少，但由于采用了電流源供電方式，鐵心仍然具有良好的能量傳遞特性，漏電流較小。
表1
| 鐵心類型 | Lm/μH | ΔiL/A | Is/A | I21/A | I22/A | η/％ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鐵氧體 | 9 | 2.1 | 2.35 | 0.65 | 0.11 | 87.7 |
| 非晶（鐵基） | 65 | 0.29 | 2.35 | 0.61 | 0.12 | 83 |
圖11及圖12分別為驅動電路輸出Vo及其上升沿展開的實驗波形，波形上升沿大約為1μs，保證了晶閘管的快速導通，強觸發寬度為100μs，保證觸發的可靠性。在光纖信號結束時，輸出大約－0.8V，為器件的關斷提供反向電流，加速關斷過程，保證了關斷的可靠性。
圖11 驅動信號輸出Vo
圖12 上升沿展開波形
5 結語
本文介紹的多路輸出隔離驅動電路，采用分布式電流源供電方式，該方法解決了多路隔離輸出的困難，并且在實際電路中可與供電對象靠得很近，減小了被干擾的機會，減少了變壓器繞組匝數，能量傳遞效率較高。驅動電路輸出具有強觸發，陡峭的上升沿保證了器件的可靠導通。該驅動電路還適用于各種電機調速系統和伺服系統，中頻電源系統等其它電力電子裝置，具有廣闊的應用前景。