摘要：研究了適用于變電站直流系統的新型高頻開關充電電源，闡述了針對變電站直流系統的充電電源主電路和控制系統的設計原則，并給出了設計方案。最后，對逆變控制電路進行了詳細的討論。

1引言

　　充電電源是直流電源系統的一個重要組成部分。目前，在國內市場上應用的充電電源主要有磁飽和充電機、晶閘管整流器和高頻開關充電電源等三類，其中前二者技術成熟，推廣應用的時間已久，使用面也很廣。但由于受控制技術和元器件特性的限制，仍存在許多不足之處，如體積龐大、笨重、效率低、可靠性差、系統紋波電壓大、不便于計算機監控等。

　　高頻開關技術是采用高頻功率半導體器件和脈寬調制（PWM）技術的新型功率變換技術。開關電源的逆變單元工作在高頻開關狀態。由于工作頻率高，電路中濾波電感及電容的體積可大大縮小；同時，高頻變壓器取代了工頻變壓器，則變壓器的體積減小、重量降低；另外,由于開關管高頻工作，功率損耗小，因而開關電源效率高。開關管一般采用PWM控制方式，穩壓穩流特性較佳。將高頻開關技術應用于充電電源，不但有利于充電電源的小型化和高效化，而且易于產生極性相反的高頻脈沖電流，從而實現蓄電池脈沖快速充電。本文運用高頻開關技術，設計了針對變電站直流系統的新型高頻開關充電電源。 2高頻開關充電電源主電路設計

　　高頻開關充電電源的主電路主要由輸入整流、輸入濾波、高頻逆變、輸出整流、輸出濾波等環節構成。按照高頻交流信號與輸出直流信號間的耦合方式不同，可將主電路中的直流變換器（DC/DC）分為隔離型和非隔離型兩大類。其中非隔離型DC/DC變換器又分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、升降壓式(Buck?boost、Cuk)等幾種電路結構，隔離型DC/DC變換器又可分為單端正激式(Forward)、單端反激式(Flyback)、推挽式(Push?pull)、半橋式(HalfBridge)、全橋式(Bridge)等電路形式[1]。

2.1主電路選取原則

　　首先設定充電設備的運行方式為設備與蓄電池組并聯連接于直流母線上，正常運行時，充電設備承擔經常性負荷，同時向蓄電池浮充電以補充其自放電的損失。

　　根據開關電源的結構特征，結合蓄電池的使用性能及其充放電特性，并考慮到直流系統運行電壓的要求，確立了以下高頻開關充電電源主電路的選取原則：

1)充電電源額定輸出電壓應為蓄電池組標稱電壓的1.5倍以上，額定輸出電流應大于蓄電池組的額定充放電容量，同時還要滿足直流系統正常運行時控制母線和合閘母線所需功率容量;

圖1半橋式高頻開關充電電源主電路

(a)充電電路(b)放電電路

圖2高頻開關充電電源控制系統框圖

2)輸出電流、電壓在一定范圍內連續可調，并具有較好的穩流、穩壓特性;

3)使用高頻變壓器以隔離電網;

4)變壓器線圈和磁芯利用率高、效率高;

5)輸入、輸出電流連續，以減輕輸入、輸出濾波任務，縮小裝置體積和降低對電網的損害;

6)具有較強的抗不平衡能力。

2.2主電路選型

　　依據上述選取原則，經過對各類型開關電源主電路的分析比較，作者選取由雙端半橋式DC/DC變換器構成的功率變換電路作為高頻開關充電電源的主電路形式，如圖1所示。

　　此電路中，EMI濾波器主要用于抑制交流電網與直流變換電路之間的高頻噪聲干擾。D1～D6構成三相橋式不可控整流電路，將380V交流電轉換為直流電，C0作濾波用，C1、C2、S1、S2、D01、D02構成半橋式DC/AC變換器，將直流電壓逆變為高頻交流方波電壓，并經高頻變壓器T送出。D7、D8、L、C3構成變壓器次級整流濾波環節。GB為蓄電池，S3為控制蓄電池放電的開關管，R為放電電阻。充電電壓V0與開關管S1、S2工作的占空比及變壓器次初級線圈匝數比成正比，即[2]V0=·VC0(1)

式中：tON為開關管在一周期內的導通時間；

T為開關周期。

因此，通過改變開關管的占空比就可調節輸出電壓。

充電時，S1、S2交替導通相等時段，以便產生等寬方波脈沖。放電時，關斷S1、S2，觸發S3導通，則蓄電池可通過電阻R放電，放電時間由S3導通時間決定。

半橋式高頻開關充電電源主電路的主要特點是：

1)輸出功率可達幾kW，可滿足蓄電池充電的要求。

2)只有兩只開關管進行功率變換，簡化了驅動電路設計（相對全橋式電路而言）。

3)高頻變壓器原邊繞組在方波脈沖的正負半周都工作，故繞組利用率高。 4)開關管截止期間承受電壓低，僅為輸入直流電壓值。

5)抗不平衡能力強。當開關管特性不一致或導通時間不一致時，不會引起“單向偏磁”現象，這是推挽式和橋式變換器都不具備的一個突出優點。

3高頻開關充電電源控制系統設計

3.1直流系統供電及蓄電池充電對控制系統的要求

1)在電網正常運行時，高頻開關充電電源向直流系統供電并給蓄電池浮充電，此時要求輸出電壓有良好的穩壓特性。

2)當蓄電池容量欠虧時，需進行補充充電，為提高充電速度，需采取恒流充電方式，此時則要求電源有良好的穩流特性。

3)能在一定范圍內實現對電流、電壓的連續調節。 4)各種充電方式能自動轉換。

5)蓄電池充滿時能自動停充。

6)能對電流、電壓、溫度等各種參數進行檢測以及作出判斷，并采取相應保護措施。

7)具有四遙功能，即要求在遠方設定參考值、測量充電電流和充電電壓，并且對系統運行方式進行遠方控制，還能實現對工作狀態和故障信號等的遠方采集。

3.2控制系統組成

　　如圖2所示，高頻開關充電電源的控制系統主要由取樣電路、信號變換電路、檢測保護電路、PWM信號生成電路和驅動電路等組成。取樣電路從主電路的輸出采集電流、電壓等信號，采樣信號與給定值進行比較后得到的差值信號經過誤差放大器進行放大，以便調