第４４卷第２期 电力电子技术 Ｖｏ１．４４，Ｎｏ．２ ２０１０年２月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１０ 有源电力滤波器的控制电源设计 张光新，杨耕 （清华大学，北京１０００８４） 摘要：针对有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，简称ＡＰＦ）对控制电源的需求特点，设计了一种ＡＰＦ的控制电源。该 电源初级输入采用交流电网和ＡＰＦ功率直流母线双电源供电方式，其中驱动电源和直流母线反馈电源均采用单端 反激式ＤＣ／ＤＣ变换电路。该设计不但满足了ＡＰＦ在正常运行情况下的供电需求，还能够满足掉电保护、自启动等功 能对控制电源的要求。实验和现场运行验证了该设计方案的有效性。 关键词：滤波器；控制；电源 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ｌＯＯＸ（２０１０）０２—００４４—０２ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ＺＨＡＮＧ Ｇｕａｎｇ．ｘｉｎ．ＹＡＮＧ Ｇｅｎｇ （Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ（ＡＰＦ），ａ ｎｅｗ ＡＰＦ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｅｓ ｄｕａｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ＡＣ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ａｎｄ ＡＰＦ ＤＣ ｂｕｓ ｐｏｗｅｒ．Ｂｏｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ＤＣ ｂｕｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｐｏｗｅｒ ｕｓｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｅｎｄｅｄ ｆｌｙｂａｃｋ ＤＣ／ＤＣ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ ｇｅｎｅｒａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＰＦ，ａｎｄ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｏｐｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｂｒｏｋｅｎ—ｄｏｗｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｆ ＡＰＦ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｌｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ １ 引 言 交流电网和ＡＰＦ功率直流母线双电源供电方式。 有源电力滤波器（ＡＰＦ）的控制电源包括控制器 ２．１ 驱动电源 用电源和功率器件驱动电源两部分。前者主要为控 功率器件ＩＧＢＴ驱动电路的核心芯片采用 制器、传感器以及人机界面（如触摸屏）供电；后者主 Ｍ５７９６２Ｌ。根据其供电特点及ＩＧＢＴ的要求，驱动电 要为功率器件的驱动供电。无论是控制电路还是驱 源需要为３桥臂的ＩＧＢＴ提供６路的２６～３０Ｖ 动电路．一旦供电出现问题都会严重影响ＡＰＦ系统 直流电。各路电源分别通过稳压管分压，产生ＩＧＢＴ 的安全运行。另外，电力系统对ＡＰＦ挂网运行有一 开通和关断需要的正、负电压。 些特殊要求，例如，控制电路和驱动电路要先上电， 驱动电源采用单端反激式ＤＣ／ＤＣ变换电路．电 在完成相关参数的设置以及对系统的检查后．才能 路原理如图２所示。１路电压输入，７路电压输出，其 对主电路上电：当电力系统故障时．电源系统必须有 中前６路输出通过稳压管分压，产生正、负电压；第７ 效地将ＡＰＦ从电力系统中切除，故障解除后还要使 路输出用于稳压控制。控制芯片采用脉宽调制芯片 ＡＰＦ自启动ＩｌＪ。因此必须对ＡＰＦ的电源系统进行合 ＵＣ３８４４，实现对输出电压和初级电流的控制。第７路 理设计。针对上述要求，设计了一种控制电源和驱动 输出电压反馈到ＵＣ３８４４的误差放大器（ＵＣ３８４４的 电源，并对其进行了实验和现场运行验证。 第１脚）实现稳压控制：初级电流通过电阻Ｒ 采样， ２电源设计 采样值输入到ＵＣ３８４４的第３脚，实现峰值电流控 整个电源方案可分为驱动电源、控制电源和二 制。Ｒ ，Ｃ。和ＶＤ 组成缓冲电路，对开关状态转换过 者的一次供电电路三部分，电路结构如图１所示。 程产生的尖峰电压进行箝位和吸收。 ～１本 ２２０ｖＡ整流桥 二二］酱磊 动扳ｌ … “电烬 琶 蟹宦医 Ｕｏ６。 ＋ 图１ ＡＰＦ系统供电线路图 驱动电源和驱动电路设计在一起，即为驱动板； 图２驱动电源电路原理图 控制电源由普通开关电源构成。另外，初级电源采用 ２．２控制电源设计 定稿日期：２ｏｏ９一Ｏ５—１２ 控制电源提供控制器需要的±１５ Ｖ，±５ Ｖ电源、 作者简介：张光新（１９８２一），男，山东诸城人，硕士研究生，研究 传感器需要的＿＿－１５ Ｖ电源及触摸屏和接触器需要的 方向为电力系统谐波抑制。 ２４Ｖ电源。使用中，要求控制电路先上电，以完成相 ４４ 有源电力滤波器的控制电源设计 关参数的设置和对开关器件的封锁，同时保证电力 系统故障时ＡＰＦ能从电力系统中有效切除以及故障 解除后ＡＰＦ实现自启动。针对上述要求和成本因素， 采用普通开关电源给控制电路供电，具体电路如图ｌ 虚线框中 ２２０Ｖ的交流电接入普通开关电源，由开 关电源产生控制器和触摸屏等需要的各种电源。 ＤＣ／ＤＣ转换电路的设计重点是开关器件的选 择。在单端反激电路中，开关器件ＶＴｌ承受的最大关 断电压 ～： （１一Ｄ～），Ｄ～为最大占空比。 实际工作中取 ＝７００～８００ Ｖ，Ｄ ＝０．５，因此 ＝… １．６ ｋＶ，实际选取１．７ ｋＶ的开关管。另外，根 据文献【２】的设计方法，为满足ＤＣＭ和ＣＣＭ两种工 作模式的需要．设计中变压器采用ＥＣ３５２１型磁芯、 变比１２０：５５：４．其中第２路输出用作电压反馈控制； 虽然直接采用普通开关电源，可具有实现简单、 成本低、可靠性高的特点，但当仅采用电网作为初级 供电时．在遇到电网掉电或者电网电压瞬时值过低 控制芯片同样使用ＵＣ３８４４脉宽调制芯片，实现输出 的情况下．电路还存在一些问题，需进一步改进。 ２．３基于双电源的初级供电 当电网突然掉电时．开关电源失去电能输入， 输出降为零．相应的控制器断电，无法继续对驱动 电路进行控制．而此时ＡＰＦ直流母线电压仍处在高 压状态．一旦功率器件的驱动信号受到干扰，会出 现上下桥臂同时导通，导致功率器件损坏。 针对该情况。设计了一种采用交流电网和ＡＰＦ 功率直流母线双电源供电方案。该方案的基本思想 是：当ＡＰＦ正常工作时，由电网给控制电路供电；当 出现供电异常后，截止功率器件的驱动信号．并将 ＡＰＦ直流母线的电能通过ＤＣ／ＤＣ电路回馈给控制 电路和驱动电路 设计中ＤＣ／ＤＣ转换电路的输出为 直流电。不能与２２０Ｖ交流电直接并联，因此将２２０Ｖ 交流电整流后通过二极管与之并联。 如图１所示。２２０Ｖ交流电经整流桥整流。在电 容Ｃ上得到约３１０Ｖ的直流电。ＤＣ／ＤＣ转换电路输 出电压的正极与Ｃ的正极通过二极管ＶＤ。，ＶＤ 相 连，负极与Ｃ负极直接相连。只要使ＤＣ／ＤＣ转换电 路输出电压小于Ｃ的电压ｎ ，就可保证ＡＰＦ正常工 作时ＤＣ／ＤＣ转换电路不工作。当电网出现供电异常 时，检测电路及时判断并发出截止功率器件的保护 信号。由于Ｃ的存在，开关电源和驱动电源输入电压 不会立刻低于ＤＣ／ＤＣ转换电路输出电压．ＤＣ／ＤＣ转 换电路不工作。经过一段时间后，ｔｔ 逐渐降至ＤＣ／ＤＣ 转换电路输出电压以下，ＤＣ／ＤＣ转换电路开始工 作，直流母线的电能回馈到控制电路和驱动电路．直 到其电压降至安全值，ＤＣ／ＤＣ转换电路停止工作。 考虑到ＤＣ／ＤＣ转换电路仅在电网供电异常时 工作，仅为控制电路和驱动电路供电。且输出容量较 小，效率要求不高，因此也采用单端反激式变换电 路。与驱动电源相比，该电路输入电压范围较宽。对 于工业电压等级的ＡＰＦ，正常工作时直流母线电压 ｕｓ一７５０Ｖ，而电网断电后．直流母线电能回馈到控 制、驱动电路．电压逐渐降至安全值．希望该过程中 ＤＣ／ＤＣ转换器还能输出较稳定的约２００Ｖ直流电压。 对此需保证ＤＣ／ＤＣ变换器在断续电流模式（ＤＣＭ）￣Ｉ 连续电流模式（ＣＣＭ）两种模式下都能安全工作 稳压控制和峰值电流控制。设计中，将输出电压，控 制在约１８０Ｖ， 降至此值以下，这样即使驱动信号 不确定也不会损坏开关器件。 ３ 实验结果 实验电路的主要参数：采用７路输出的多路变 压器，磁芯ＥＩ３３，频率４０ ｋＨｚ，变比９７：１２：１２：１２：１２： １２：１２：７，初级电感量４．２ ｍＨ／１ ｋＨｚ；ＡＰＦ功率单元： ７５０Ｖ，输出电流６ＯＡ。驱动电源次级输出 波 形如图３ａ所示．可见驱动电源的设计能够满足ＡＰＦ 系统的要求。正常工作时，ｕｓ一７５ＯＶ。运行过程中使 电网电压突然跌落至零，开关电源输入电压 波形 如图３ｂ所示。 为相电压整流值，约为３ｌ０Ｖ。ｔ。时 刻电网掉电，ｃ给开关电源供电。ｔ 时刻Ｃ上的电压 降至ＤＣ／ＤＣ转换电路的输出设定值１８０ Ｖ。ＤＣ／ＤＣ 模块开始工作．直流侧电能回馈到控制电路和驱动 电路，到ｔ 时刻后，直流侧电压降至安全值。ＤＣ／ＤＣ 转换电路停止工作。经现场调试验证，采用了该设计 方法后．未出现因电网电压故障而导致器件损坏的 情况，并且故障解除后，ＡＰＦ能够实现自启动。 ｔ／（Ｉ ｓ／格）ｔ／（１ ０ ｓ／格） （ａ）驱动电源次级输出电压 （ｂ）开关电源输入波形 图３实验波形 ４结 论 根据ＡＰＦ对供电电源的要求．为ＩＧＢＴ驱动电 源设计了一种基于单端反激拓扑的多路输出ＤＣ／ ＤＣ电源。为控制器选用了通用开关电源。为了实现 系统掉电保护、上电后自启动等功能，初级电源采用 了电网和功率母线双电源供电方案。实验结果和现 场运行情况证明，该电源方案具有实现简单、工作可 靠、成本低的特点。 参考文献 ［１】ＧＢ５００５２—９５：供配电系统设计规范【Ｓ】． 【２】吕利明，肖建平，钟智勇，等．高频开关电源单端反激变压 器的原理与设计方法阴．磁性材料及器件，２００６，３７：３６－－３８． ４５
