20 kW国产化直流电源设计

2023-01-16 10:07苗洪志熊桥坡赵小波
通信电源技术 2022年18期
关键词:直流电源电源模块高压

苗洪志,熊桥坡,方 卫,赵小波,龙 根

(武汉船舶通信研究所,湖北 武汉 430205)

0 引 言

某供配电系统采用交流/直流(Alternating Current/Direct Current,AC/DC)整流电源和锂电池组成高可靠的高压直流供电电源,为后级电机驱动器负载和辅助电源供电。当前关于三相整流器的研究日趋成熟,大多数应用场合中,整流器的输入电流总谐波畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)要求小于5%,且以单位功率因数运行[1]。三相三电平Vienna整流器能够满足这些条件,具有功率密度高、功率开关应力小、效率高等优点,在大功率电源领域应用广泛。文献[2]设计实现了基于SiC MOSFET的Vienna整流器,满载效率可达98.5%。电压电流双闭环控制策略的控制方法简单,易于数字化实现,常用于三相整流器[3,4]。半桥开关三电平变换器是一种经济可靠的直流/直流(Direct Current/Direct Current,DC/DC)变换拓扑,文献[5]分析了该变换器的工作原理,讨论了超前管和滞后管实现零电压开关的条件。文献[6]针对充电电源模块并联运行时电流不均衡的问题,分析电流不均衡的根本原因,提出了基于调制波的数字均流控制方式。文献[7~10]分析了三电平LLC谐振型DC/DC拓扑及其控制设计方法。

AC/DC整流电源既要实现锂电池充电功能,又要实现稳压电源功能。根据已有的国产化整流电源设计经验对20 kW国产化直流电源软硬件设计和国产化器件选型进行论述,并针对应用场景进行了控制策略优化。

1 主电路设计

高压直流电源由2个AC/DC高压电源模块组成,既能实现电源备份冗余,又能满足系统高可靠供电要求。高压直流电源系统组成连接框架如图1所示,主要由空气开关、电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)滤波器、继电器板、AC/DC高压电源模块、辅助源板、通信板、阻断二极管以及泄放电阻等组成。AC/DC高压电源模块由VIENNA整流电路和DC/DC变换电路组成,采用MM75G3U65型绝缘栅双极型体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)和MM60F120B型快恢复二极管作为主功率器件。高压直流电源系统连接框架如图1所示。

图1 高压直流电源系统连接框架

Vienna整流电路如图2所示,主要由缓启动电路、差模电感、Vienna整流电路以及直流母线电容4部分组成。

图2 Vienna整流电路

缓启动电路由B相、C相并联的继电器和电阻组成,在电源启动阶段,继电器断开,电阻串入主电路,用以限制直流母线的充电电流。母线电压正常后,闭合继电器,将电阻短路,完成缓启动过程。交流侧差模电感主要有2个作用:一是滤除电路中存在的谐波电流,使输入电流波形趋于正弦,减小输入电流总谐波畸变率;二是储存能量,为Vienna整流器的升压功能提供保障。Vienna整流电路中,每相分为并联的两路,可以降低每路2个反向串联的IGBT开关管的电流应力,整流电路输出中点与母线滤波电容中点相连。

DC/DC变换电路如图3所示,主要由分压电容、半桥三电平移相电路、变压器、不控整流电路以及稳压电容组成。两个半桥三电平移相电路在输入端并联,在输出端串联。

图3 DC/DC变换电路

2 控制电路设计

2.1 软件架构

AC/DC高压电源软件由通信控制单元软件、DC/DC单元软件、整流单元软件组成,整体采用3级架构,接口独立封闭,层次清晰且层层隔离,不能越层访问。从顶层到底层分别是通信控制单元软件、DC/DC单元软件、整流单元软件,系统上位机的配置指令须经过层层传递,经通信控制单元软件和DC/DC单元软件才能到达整流单元软件。与此同时,系统状态参数也是层层传递才能到达上位机。系统上位机通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)通信链路对通信控制单元下发指令和状态监控。通信控制单元通过RS485串行通信方式向2个AC/DC高压电源模块下发指令和监控系统参数。AC/DC高压电源模块内部的DC/DC单元和整流单元之间则通过输入/输出(Input/Output,I/O)口和干接点的方式进行通信。AC/DC高压电源系统控制框架如图4所示。

图4 AC/DC高压电源系统控制框架

通信控制板采用双进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,ARM)电路,CPU1负责对上位机通信,CPU2负责对AC/DC高压电源模块进行监控,CPU1和CPU2采用串口进行数据交互。DC/DC单元和整流单元的控制由数字信号处理(Digital Signal Processor,DSP)板实现,DSP芯片型号为JDSPF28335。

2.2 控制策略

整流单元采用直流侧电压外环、有功电流内环双闭环控制,电压外环负责直流侧输出稳定且无静差的直流电压,电流内环负责控制整流单元的输入电流为三相正弦波,从而降低并网电流的THD。整流单元双环控制框架如图5所示。

图5 整流单元双环控制框架

DC/DC采用输出电压、输出电流双环竞争实现稳压稳流控制,将均流环的输出控制信号与电压环给定值相加,微调输出电压实现2个AC/DC高压电源的均流。当DC/DC单元输出电流未超过限流值时,电压环起主导作用恒压输出;当输出电流超过限流值时,电流环饱和限幅输出,此时AC/DC高压电源工作于恒流输出模式。DC/DC单元均流控制框架如图6所示。

图6 DC/DC单元均流控制框架

3 试验测试

针对研制的国产化20 kW高压电源进行电气性能测试,电源满载稳态输出如图7所示,满载时刻输出电压纹波如图8所示。

图7 电源满载稳态输出

图8 满载时刻输出电压纹波

根据图7和图8,稳态输出电压586 V,纹波电压4.8 V,满足设计要求。根据应用场景进行充电功能测试,充电波形如图9所示。在市电环境下进行恒流模式充电,2个模块电流稳定且均衡。

图9 充电实验波形

对该进行负载扰动测试,负载扰动输出电压如图10所示。

图10 负载扰动输出电压

将直流电源的负载由1 kW突加至14 kW,电压暂态跌落至478 V;将直流电源的负载由14 kW突减至1 kW,电压暂态冲击至620 V,满足系统使用要求。此外,该电源通过了200 h满载老练试验、高低温试验、振动试验、冲击试验以及系统匹配试验,验证了设计的合理性。

4 结 论

针对具体的应用环境,对Vienna整流电路和三电平移相电路的控制策略进行了优化,基于国产功率器件和控制芯片设计研制了20 kW高压直流电源。通过各项功能性测试、环境试验以及长时间带载测试可知,该电源工作稳定可靠,可为后续国产化直流电源产品的设计提供参考。

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