IGBT器件的大功率DC/DC电源并联技术研究

　　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.

　　2 大功率直流电源的控制方案

　　在托卡马克快控电源的应用中,要求电源输出电流实时跟踪给定电流曲线.因此,该电源系统是电流随动系统,系统的快速性将是一较重要的性能指标.而控制方式的选择将影响整个系统的静态与动态性能指标.

　　为更好提高系统稳态和动态性能指标的精度,实现电流跟随性,采用两级电流控制(图2),即总电流环和模块电流环相互配合,不仅可提高性能指标,且可实现各模块电流的均衡.