高频高压开关电源直流母线纹波电流的抑制方法

图3
变压器分布参数模型
上图中，匝间等效电容一般是 pF 数量级，整个绕组的等效并联电容约为数千 pF 量级。 通过以上分析，忽略绕组直流电阻，绘出变压器等效电路（见图 4a），其中 L1，L2 分别为原边和副边的漏电感； C1 为原边绕组等效分布电容，C2 为副边绕组等效分布电容；R1，R2 分别为原边和副边绕组的电阻；由于原边 匝数只有几匝，直接在原边并且不需要变比折算，因此产生的分布电容可以忽略，同时将副边高压绕组的分布电 容通过变比折算到原边后得到如图所示的等效电路（图 4b）
图 6a 变压器加入补偿电感后等效电路
图 6 变压器各电流矢量图
图 6a 中 I 为补偿后逆变器的输出电流，I1 为变压器净输入电流，I2 为补偿电流，电流矢量图见图 6b，I0 为 有功电流，补偿恰当时 I2=I1，逆变器的输出电流 I 接近有功电流 I0，当 I2=I1 时，由 I 2 电感的电感量为：
5 结束语
以上分析基于变压器空载调试的数据确定的，准确计算出变压器的分布参数尚有困难，实际运行当中，副边 还接有倍压电路，也属于容性负载，无功电流还会进一步增大，补偿电感需做适当调整，具体可通过实验确定最 佳参数，使得补偿适当。加入补偿电感后，变压器原边电流环路可以取消不用，调试时可以直接进行开环升压， 不用担心电流较大引起功率开关管损坏。
U 算出外加补偿 2fL2
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L2
U 9.72H 2fI 2
在原先变压器空载实验的基础上，将绕制好的补偿电感并入变压器原边后，其他实验条件不变，将电流探头 灵敏度改为 100 mV/A，用示波器测量电压电压及电流的波形如下：
图 7 加入补偿电感后电压、电流实测波形
Ch1: 20V/div、CH2: 200mV/div(100mV/A)
高频高压开关电源直流母线纹波电流的抑制方法
戴文峰 郝世荣 付佳斌 王传伟 冯传均
(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳 621900）
摘 要：在某系统电池供电型 200kV/1kW 高压开关电源的研制中发现，流过直流母线和全桥逆变器上的纹波电流较大，大大 地超过了供电回路的电流，引起直流母线上主滤波电容器和逆变桥主功率器件发热严重，同时产生强烈的电磁干扰。通过分析，所 有这些现象主要是高压开关电源的关键部件高频变压器分布参数影响引起的，该分布参数在高频情况下对电路的影响不能再被忽 略。本文文中主要分析了高频变压器的主要分布参数给电路带来的不利影响，介绍了采用外加补偿电路的方式来减小纹波电流的办 法，并通过实验证明该方法可行且效果明显。 关键词：高压开关电源 高频变压器 分布参数 纹波电流
1 高频开关电源主回路拓扑结构
图 1 高频高压电源主回路拓扑结构
高频开关电源主回路见图 1，由供电部分、输入滤波、逆变桥路、变压器和倍压整流电路等几部分组成，外 加的 24~30V 直流电压经逆变全桥后输出一定频率的交流方波，送至变压器进行升压到 20kV 左右，然后经倍压 整流电路倍压后得到约 200kV 的高压直流电压，供高压设备使用。图中 Q1~Q4 主功率开关器件，T 为高频高压 变压器。
图 4a
变压器等效电路
图 4b
折算到原边后的等效电路
其中 L1 为变压器的漏电感；C1 为原边绕组等效分布电容，C2 为副边绕组等效分布电容； T 为没理想铁氧 体铁心变压器。图 4b 中串联阻抗 为： Z
1 2fL1 ，忽略漏感产生的影响后得： ' 2fC2
Z
1 ' 2fC2
对于目前正在研制中的高压充电电源，由于在一段时间内系统能够正常工作，说明电路原理没有问题。单独 用该变压器进行空载试验，发现空载电流非常大，远超过设计值。说明问题出在变压器上。用示波器观测发现电 流超前电压约 90 度，可见变压器如同一个电容负载。实测波形见图 5：
如图，测得电压约为 50V，电流 4A 左右，可见电流大大减小了，理论上，变压器空载且完全补偿时总电流 应该为零，这是因为变压器的存在流感，忽略了变压器励磁电流的影响，实验时有电晕产生，且绕组存在铜损以 及磁芯损耗等多种因素所致，从以上结果可以看出加入电感补偿后，效果明显，对高压开关电源的性能的改善有 着重大意义。
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图 2 高频高压变压器骨架示意图
从变压器结构上可以看出作为升降压、 功率传输和绝缘隔离用的变压器， 绝缘隔离通过原边和副边绕组的绝 缘结构来完成。为了保证绕组之间的绝缘，必须增加两个绕组之间的距离，从而降低绕组间的耦合程度，使漏感 增大。另外，原绕组一般为高压绕组，匝数较多，产生的分布电容相对较大，总之，在高频电源变压器绝缘结构 和总体结构设计中， 无论采用何种绕制方式， 都难免存在漏感和分布电容。 作为升压用的高压变压器， 因匝数多、 变比高，所以分布电容是主要分布参数，对主回路带来的影响较大,是引起直流母线纹波电流变大的主要因素。 分布电容主要是匝间电容和层间电容。虽然采用了分段绕制的方法，但分布电容依然较大，在工频时可将其 忽略，但在高频时其对变压器的影响不容忽视。该分布电容由变压器结构，材料，体积，绕制工艺等因素决定， 目前不可能完全消除。下图变压器高压绕组的分布参数模型（图 3），通过过叠加折算得到整个变压器的分布参 数模型。
Z U / I 1.83
由此可以算出折算到原边的电容量：
' C2 1 / 2fZ 2.90F
可见电容如此之大，是产生较大纹波电流的主要原因，将 C2 折算至副边后可得高压绕组分布电容为：
C2 2.9 F / 400 7247 pF
4 减小直流母线纹波电流的解决方案
为了减小逆变桥输出回路的电流， 一开始是采用变压器原边加电流环进行限制，这样限制了变压器运行的 效率，增加系统成本，同时给调试带来了麻烦，因此必须另外寻求解决办法，由于电容器负载时电流超前电压 90 度，电感负载电流滞后电压 90 度，所以可以采用变压器原边并联补偿电感的方法来减小逆变桥输出的电流， 也就减小了直流母线上的纹波电流，如果补偿得当，则逆变桥输出的电流接近电源电流，而变压器净输入电流不 变。加入补偿电感后的等效输入回路见下图：
高压电源是脉冲功率实验中不可缺少的一部分， 高频开关电源是今后的发展趋势， 在脉冲功率试验中得到广 泛应用。 脉冲功率实验对高压电源的的性能和稳定性有着较高的要求。 影响高压电源安全运行和稳定性的因素有 很多，其中主逆变回路和变压器的运行参数是最主要的部分，这些运行参数也包含系统分布参数。在开关电源中 除了控制电路要做好抗 EMI 设计外，其主要部件高频高压变压器的分布参数的也可能造成致命的影响，并且随 着电源中开关频率的增加，分布参数所引起影响也会增加，必须要设法进行抑制。
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图 5 空载变压器电压及电流波形
Ch1:20V/div，CH2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ200mV/div(10mV/A)
在变压器空载实验中，在直流供电电压 28.5V，输入 30KHz 交流，变压器变比为 400 的情况下，在整个升 压过程中供电电源的电流维持在 5A 左右，测量变压器原边输入电流峰值为 30A 左右，实际变压器却输出达到了 22KV，输出电压与供电电压之比超过了变压器的匝数比，经分析这是是引谐振后原边电压升高所致，而实际变 压器输入输出电压比却没变，依然等于匝数比，可以算出实际变压器原边电压为：U=22kV/400=55V，根据实验 时的电流达到 30A 左右，可算出变压器输入回路阻抗为：
本文链接：/Conference_8142987.aspx
3 高频变压器分布参数的分析
变压器磁芯采用 U 型铁氧体磁芯， 高低压线包都绕制在同一磁芯柱上， 一次绕组 N1=10 匝,二次绕组 N2=4000 匝,工作频率 f=30kHz,变压器的二次侧不接任何负载，一次侧加中频电压 Ui,测量得中频电流 Ii 低压绕组在内侧， 高压绕组在外侧，匝数比约 400，为了减少分布电容，又使得电压分布均匀，有利于高压绝缘，高压绕组采用分 段绕制方法，骨架材料选用高分子聚乙烯。结构见下图。
参考文献：
[1] 邵学飞，李威强. 浅析高频变压器分布参数的变化趋势[J].，电力电子技术，1995(1)：44~46. [2] 李东仓，杨磊，丁光泽. 高压倍压整流电路无功补偿对策[J].，电工技术杂志，2002.10.
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高频高压开关电源直流母线纹波电流的抑制方法
作者： 作者单位： 戴文峰， 郝世荣， 付佳斌， 王传伟， 冯传均 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川 绵阳 621900
2 直流母线纹波电流的产生及不利影响
高频变压器在工作时原边存在无功电流， 在主回路工作时供电电压与负载电流相位是不一致的， 会产生较大 的无功功率，随着工作频率的升高，无功功率变大，纹波电流变大，这是所不希望的。这个电流经逆变桥功率管 内的续流二极管加到了直流母线上，在直流母线上产生纹波电流，高频高压开关电源为了减小 EMI 干扰，供电 回路一般加入 EMI 滤波电路，同时直流母线上并有大的滤波电解电容，以吸收纹波电流、存储逆变电路回馈回 来的能量，该滤波电容一般容量较大，由于电容存在内电阻，当纹波电流较大时，会引起电容器发热严重，只能 工作几分钟休息几分钟， 虽然可通过采用多个电容器并联的方法减小内电阻从而减小发热量， 但流过滤波电容的 纹波电流并没有改变，较大的纹波电流回带来很多不利的影响：首先是会引起大的 EMI 干扰，其次对逆变桥路 的安全运行也会带来较大的隐患，甚至关系到系统能否正常运行。