一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用
1引言
电力电子技术的迅猛发展，使得电力电子装置的应用越来越广泛。目前，在电力电子装置中，在需要隔离电源的地方，均设置独立的包括原、副边电路的整套工作电源，电路复杂，效率低，体积大，成本高，可靠性低；有些电力电子装置使用带有电压泵的专用单电源驱动电路，可以省掉复杂的多路隔离辅助电源，但由于这种专用电路的局限性，不能适用于高电压、大功率和其它有特殊需要的场合。用于电力电子装置的多路输出隔离电源驱动电路，采用了分布式供电方式，使用一套主电路就可以产生多组彼此隔离的副边电压，和其他形式的电源相比，在输出功率和输出路数相等的情况下，具有体积小，重量轻，效率高，可靠性高等显著优点。而且由于采用具有独立磁路的副边绕组的变压器，副边绕组个数也就是输出隔离电源的路数的增减非常方便，特别是当输出隔离电源的路数较多时，该电源的优势就更为明显。
图1三相桥式固态短路故障限流器
2系统结构
多路输出隔离电源驱动电路如图2所示，它利用一组公用的交流母线，在主电路需要辅助电源的地方进行高频变压器隔离变换并经整流，滤波，稳压后变成所需要的直流电压。分布式供电方法解决了多路隔离输出的困难，并且在实际电路中它与供电对象之间可以靠得很近，减小了被干扰的机会。隔离变压器的绝缘电压也可以做得比较高，原副边的分布电容比较小。
图2多路输出驱动电路供电方式
3工作原理
驱动电路的结构框图如图3所示。虚线框1内为整流及线性稳压电路，虚线框2内为具有强触发的驱动电路。
图3驱动电路的结构框图
3.1高频变压器等效电路
高频变压器等效电路如图4所示。其中lm为变压器原边激磁电感，变压器变比为1：n，is为高频方波电流源，vo为变压器输出电压，io为变压器输出电流。由于变压器原边绕组只有一匝，所以有
lm=（1）
当占空比d=0.5时，变压器的工作波形如图5所示。
图4变压器等效电路
图5变压器工作波形
［t0－t1］阶段，vo为高电平，il线性上升，其增量为
δil1=dt=（t1－t0）=dt=（2）
［t1－t2］阶段，vo为低电平，il线性下降，其增量为
δil2=－δil1=－（3）
输出电流为
io=（4）
3.2线性稳压及过流保护电路
由于供电电源是电流源信号，稳压电路采用了并联型线性稳压方式，电路如图6所示。r1起限流作用，r2，r3，r4和z1组成稳压电路，z1采用 tl431精密稳压管，r5，v1和s1组成过流保护电路，当输入电流过大时，v1导通，s1栅极为高电平而导通，从而限制了流过z1的电流，保护了后级电路。
图6线性稳压及过流保护电路
3.3强触发电路
强触发电路如图7所示。当输入下降沿到来时，由于电容两端电压不能突变，点2电位变为低电平，输出强触发脉冲，下降沿结束后，电容开始充电，点2电位上升，当v2>vref时，强触发结束。强触发宽度τ按式（5）计算。
τ=－（r1＋r2）c1ln（5）
图7强触发电路
式中：v1o为电容开始充电时点1电压；v1c为比较器翻转时点1临界电压。
4实验结果
采用如图1所示的三相桥式固态短路故障限流器，隔离电源的参数如下：高频变压器工作频率为100khz，原边1匝，副边两路输出，分别为3匝和1匝。主路输出经过整流，滤波，稳压后变成所需要的直流电压。辅路输出经整流，滤波后变为负电平，为晶闸管的关断提供反向电流，加速关断过程。图8为输入方波电流源波形。图9为副边电流波形。
图8方波电流源波形
图9变压器副边输出电流波形
增大lm可以降低磁滞损耗，减小铁心损耗，提高变压器传输效率。在铁心尺寸大小相同的情况下，由式（1）可知，选择相对磁导率μr较大的铁心可以增大 lm.非晶铁心由于具有很高的相对磁导率，可以很好地降低铁心的磁滞损耗。图10为非晶和铁氧体铁心变压器的副边主路输出电流波形。由图10可知，非晶铁心电流波形的波头下降率较低，即δil较小。
图10非晶与铁氧体副边主路输出电流波形比较
实测电流值及电路工作效率等见表1所列。其中lm为激磁电感；δil为激磁电感上电流增量；is为原边电流有效值；i21及i22分别为副边输出电流有效值；η为变压器转换效率。由表1可发现，非晶铁心虽然具有较大的激磁电感，但由于非晶铁心具有很低的电阻率，在开关频率较高的情况下，涡流损耗很大，使得总损耗较铁氧体高。由表1还可看出，虽然变压器绕组匝数很少，但由于采用了电流源供电方式，铁心仍然具有良好的能量传递特性，漏电流较小。
表1
图11及图12分别为驱动电路输出vo及其上升沿展开的实验波形，波形上升沿大约为1μs，保证了晶闸管的快速导通，强触发宽度为100μs，保证触发的可靠性。在光纤信号结束时，输出大约－0.8v，为器件的关断提供反向电流，加速关断过程，保证了关断的可靠性。
图11驱动信号输出vo
图12上升沿展开波形
5结语
本文介绍的多路输出隔离驱动电路，采用分布式电流源供电方式，该方法解决了多路隔离输出的困难，并且在实际电路中可与供电对象靠得很近，减小了被干扰的机会，减少了变压器绕组匝数，能量传递效率较高。驱动电路输出具有强触发，陡峭的上升沿保证了器件的可靠导通。该驱动电路还适用于各种电机调速系统和伺服系统，中频电源系统等其它电力电子装置，具有广阔的应用前景。
基于Docker Compose部署RabbitMQ的经验分享
三星Galaxy F62新机型部分参数信息曝光
全球最大锂矿宣布减产
全球首款5G基站核心芯片——天罡
澳大利亚进口的商品中，半导体有86%来自中国
一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用
变电所主接线图
什么情况需要用到三相三线电缆
半导体封装测试设备led推拉力测试机设备介绍
千亿量级的搜索背后，浪潮软件定义存储如何将小文件读写性能提升30%
荣耀10青春版怎么样 值不值得买
锐龙5000系列会为曾经沉寂的CPU市场带来什么？
区块链对于未来的中国经济会有多大的影响
区块链在非洲市场的发展情况分析
“T”是个好东西，你的车有没有？
加拿大：2020年举行关键第五代移动网络（5G）无限频谱拍卖事宜
哪款蓝牙耳机性价比最高？五款热门蓝牙耳机实测！
MIUI今天发大招！上午9点宣布大消息，或将公布“良心”之作？
一种具有优异热管理和电磁屏蔽性的Cu/PLLA柔性薄膜
HAS 2023 | 华为SPN，构筑新一代电力通信网数字底座
电力电子技术的迅猛发展，使得电力电子装置的应用越来越广泛。目前，在电力电子装置中，在需要隔离电源的地方，均设置独立的包括原、副边电路的整套工作电源，电路复杂，效率低，体积大，成本高，可靠性低；有些电力电子装置使用带有电压泵的专用单电源驱动电路，可以省掉复杂的多路隔离辅助电源，但由于这种专用电路的局限性，不能适用于高电压、大功率和其它有特殊需要的场合。用于电力电子装置的多路输出隔离电源驱动电路，采用了分布式供电方式，使用一套主电路就可以产生多组彼此隔离的副边电压，和其他形式的电源相比，在输出功率和输出路数相等的情况下，具有体积小，重量轻，效率高，可靠性高等显著优点。而且由于采用具有独立磁路的副边绕组的变压器，副边绕组个数也就是输出隔离电源的路数的增减非常方便，特别是当输出隔离电源的路数较多时，该电源的优势就更为明显。
图1三相桥式固态短路故障限流器
2系统结构
多路输出隔离电源驱动电路如图2所示，它利用一组公用的交流母线，在主电路需要辅助电源的地方进行高频变压器隔离变换并经整流，滤波，稳压后变成所需要的直流电压。分布式供电方法解决了多路隔离输出的困难，并且在实际电路中它与供电对象之间可以靠得很近，减小了被干扰的机会。隔离变压器的绝缘电压也可以做得比较高，原副边的分布电容比较小。
图2多路输出驱动电路供电方式
3工作原理
驱动电路的结构框图如图3所示。虚线框1内为整流及线性稳压电路，虚线框2内为具有强触发的驱动电路。
图3驱动电路的结构框图
3.1高频变压器等效电路
高频变压器等效电路如图4所示。其中lm为变压器原边激磁电感，变压器变比为1：n，is为高频方波电流源，vo为变压器输出电压，io为变压器输出电流。由于变压器原边绕组只有一匝，所以有
lm=（1）
当占空比d=0.5时，变压器的工作波形如图5所示。
图4变压器等效电路
图5变压器工作波形
［t0－t1］阶段，vo为高电平，il线性上升，其增量为
δil1=dt=（t1－t0）=dt=（2）
［t1－t2］阶段，vo为低电平，il线性下降，其增量为
δil2=－δil1=－（3）
输出电流为
io=（4）
3.2线性稳压及过流保护电路
由于供电电源是电流源信号，稳压电路采用了并联型线性稳压方式，电路如图6所示。r1起限流作用，r2，r3，r4和z1组成稳压电路，z1采用 tl431精密稳压管，r5，v1和s1组成过流保护电路，当输入电流过大时，v1导通，s1栅极为高电平而导通，从而限制了流过z1的电流，保护了后级电路。
图6线性稳压及过流保护电路
3.3强触发电路
强触发电路如图7所示。当输入下降沿到来时，由于电容两端电压不能突变，点2电位变为低电平，输出强触发脉冲，下降沿结束后，电容开始充电，点2电位上升，当v2>vref时，强触发结束。强触发宽度τ按式（5）计算。
τ=－（r1＋r2）c1ln（5）
图7强触发电路
式中：v1o为电容开始充电时点1电压；v1c为比较器翻转时点1临界电压。
4实验结果
采用如图1所示的三相桥式固态短路故障限流器，隔离电源的参数如下：高频变压器工作频率为100khz，原边1匝，副边两路输出，分别为3匝和1匝。主路输出经过整流，滤波，稳压后变成所需要的直流电压。辅路输出经整流，滤波后变为负电平，为晶闸管的关断提供反向电流，加速关断过程。图8为输入方波电流源波形。图9为副边电流波形。
图8方波电流源波形
图9变压器副边输出电流波形
增大lm可以降低磁滞损耗，减小铁心损耗，提高变压器传输效率。在铁心尺寸大小相同的情况下，由式（1）可知，选择相对磁导率μr较大的铁心可以增大 lm.非晶铁心由于具有很高的相对磁导率，可以很好地降低铁心的磁滞损耗。图10为非晶和铁氧体铁心变压器的副边主路输出电流波形。由图10可知，非晶铁心电流波形的波头下降率较低，即δil较小。
图10非晶与铁氧体副边主路输出电流波形比较
实测电流值及电路工作效率等见表1所列。其中lm为激磁电感；δil为激磁电感上电流增量；is为原边电流有效值；i21及i22分别为副边输出电流有效值；η为变压器转换效率。由表1可发现，非晶铁心虽然具有较大的激磁电感，但由于非晶铁心具有很低的电阻率，在开关频率较高的情况下，涡流损耗很大，使得总损耗较铁氧体高。由表1还可看出，虽然变压器绕组匝数很少，但由于采用了电流源供电方式，铁心仍然具有良好的能量传递特性，漏电流较小。
表1
图11及图12分别为驱动电路输出vo及其上升沿展开的实验波形，波形上升沿大约为1μs，保证了晶闸管的快速导通，强触发宽度为100μs，保证触发的可靠性。在光纤信号结束时，输出大约－0.8v，为器件的关断提供反向电流，加速关断过程，保证了关断的可靠性。
图11驱动信号输出vo
图12上升沿展开波形
5结语
本文介绍的多路输出隔离驱动电路，采用分布式电流源供电方式，该方法解决了多路隔离输出的困难，并且在实际电路中可与供电对象靠得很近，减小了被干扰的机会，减少了变压器绕组匝数，能量传递效率较高。驱动电路输出具有强触发，陡峭的上升沿保证了器件的可靠导通。该驱动电路还适用于各种电机调速系统和伺服系统，中频电源系统等其它电力电子装置，具有广阔的应用前景。
基于Docker Compose部署RabbitMQ的经验分享
三星Galaxy F62新机型部分参数信息曝光
全球最大锂矿宣布减产
全球首款5G基站核心芯片——天罡
澳大利亚进口的商品中，半导体有86%来自中国
一种多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用
变电所主接线图
什么情况需要用到三相三线电缆
半导体封装测试设备led推拉力测试机设备介绍
千亿量级的搜索背后，浪潮软件定义存储如何将小文件读写性能提升30%
荣耀10青春版怎么样 值不值得买
锐龙5000系列会为曾经沉寂的CPU市场带来什么？
区块链对于未来的中国经济会有多大的影响
区块链在非洲市场的发展情况分析
“T”是个好东西，你的车有没有？
加拿大：2020年举行关键第五代移动网络（5G）无限频谱拍卖事宜
哪款蓝牙耳机性价比最高？五款热门蓝牙耳机实测！
MIUI今天发大招！上午9点宣布大消息，或将公布“良心”之作？
一种具有优异热管理和电磁屏蔽性的Cu/PLLA柔性薄膜
HAS 2023 | 华为SPN，构筑新一代电力通信网数字底座