- 頭條新型電聲電型隔離電源：適用于電磁環境復雜的各種門極驅動場合2021-05-11 作者：吳茂鵬 陳希有 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語大連理工大學電氣工程學院的研究人員吳茂鵬、陳希有、齊琛、牟憲民，在2020年第4期《電工技術學報》上撰文，基于超聲波式非接觸電能傳輸技術，提出電聲電型非電氣接觸式全橋模塊門極隔離電源，它主要包括發射換能器、接收換能器、亞克力棒傳輸介質和補償電路。實驗表明，所設計的隔離電源可以有效地為門極驅動電路供電，使全橋模塊正常工作，與磁感應式門極驅動電源相比，具有抗電磁干擾強的特點，適用于電磁環境復雜的各種門極驅動場合。
近年來，在高壓大功率變換中，多電平換流器技術尤其是模塊化多電平換流器技術發展迅速。模塊化多電平換流器由多個全橋模塊組成，不僅可以顯著降低開關應力，而且可以降低輸出電壓的諧波含有率。但是，對于多電平換流器來說，由于所有的門極驅動電路都由同一電源供電，加在開關器件上的電壓最高可達母線電壓，故為每個全橋模塊門極驅動電路供電的電源與驅動電路之間要有很強的隔離和絕緣。
通常，主要采用干式繞線型變壓器為全橋模塊門極驅動和驅動電源提供隔離和絕緣。這種方式的不足之處在于變壓器中有磁心，因此會受周圍電磁環境的影響。一些學者采用無磁心高頻磁感應式非接觸電能傳輸技術（Inductively Contactless Power Transfer, ICPT）設計了門極驅動電路隔離電源。在ICPT技術中，電能從發射線圈傳遞到接收線圈，整流濾波后給門極驅動電路供電。發射線圈和接收線圈之間是空氣，因此在避免使用磁心的同時保障了隔離和絕緣。
在有學者提出的采用ICPT技術的驅動電路隔離電源中，發射線圈和接收線圈的距離為25mm。根據國際電工委員會（International Electro technical Commission, IEC）的標準，25mm的空氣間隙絕緣強度可達7.6kV。有學者采用更大距離的發射線圈和接收線圈來保證更高強度的隔離和絕緣。在有學者的研究中，一個發射線圈正對6個接收線圈，做到了采用ICPT技術同時為6個不同全橋模塊的驅動電路供電。但是，ICPT技術主要依靠電磁場傳輸能量，在模塊化多電平換流器中，存在大量開關器件和電氣元件，電磁環境十分復雜，這會影響使用ICPT技術為門極驅動電路進行供電的電磁安全性。
超聲波式非接觸電能傳輸技術（Ultrasonic Contactless Power Transfer, UCPT）又稱電聲電型非電氣接觸電能傳輸技術，是一種新興的非接觸電能傳輸技術。UCPT系統的基本組成如圖1所示，在發射側，發射換能器將高頻電源發出的電能經補償后轉換為超聲波能量；在接收側，接收換能器將從介質傳遞過來的超聲波能量重新轉換為電能并經能量轉換電路轉換后給負載使用。此處所講的“非接觸”不是指沒有任何物理接觸，而是指“非電氣接觸”。
UCPT技術主要依靠超聲波來進行能量傳輸。超聲波是一種機械波而不是電磁波，不會受到周圍電磁環境的影響；超聲波的頻率遠超周圍環境的振動頻率，不會受到周圍機械振動的影響。多電平換流器的各全橋模塊電磁環境十分復雜，而UCPT技術可以在保證絕緣和隔離強度的前提下為驅動電路安全可靠地提供所需電能。
圖1 UCPT系統基本組成
基于超聲波式非接觸電能傳輸技術，大連理工大學電氣工程學院的研究人員針對電聲電型非電氣接觸式全橋模塊門極隔離電源（以下簡稱“電聲電型隔離電源”）進行了研究。
圖2 電聲電型隔離電源結構
首先對電聲電型隔離電源的整體結構和工作原理進行介紹，接下來分別介紹每一部分的選擇方案和理由。介紹了郎之萬型換能器的等效電路，采用COMSOL軟件進行仿真并觀察諧振頻率下的換能器工作狀態，給出壓電換能器的最簡等效電路。為了使UCPT系統的輸入電壓降低和輸出電壓穩定，分別在發射側和接收側設計補償電路，進行詳細的分析并搭建實驗平臺對所提出的補償方案進行驗證。對UCPT技術與ICPT技術進行了抗電磁干擾能力的對比。
圖3 實驗平臺
圖4 全橋模塊實物
理論分析和實驗結果表明：
1）郎之萬型壓電換能器和亞克力棒傳輸介質可以在保證隔離和絕緣的情況下，有效地將能量從發射側傳遞到接收側。
2）發射側補償電路可以補償電源的無功功率，且能在保證接收側輸出電壓不變的情況下降低輸入電壓。
3）接收側補償電路可以維持輸出電壓穩定。
4）UCPT技術比ICPT技術有更強的抗電磁干擾能力。
5）所設計的電聲電型隔離電源可以有效為門極驅動電路供電，是一種良好的傳統變壓器替代方案，適用于電磁環境復雜的各種門極驅動場合。
以上研究成果發表在2020年第4期《電工技術學報》，論文標題為“電聲電型非電氣接觸式全橋模塊門極隔離電源研究”，作者為吳茂鵬、陳希有、齊琛、牟憲民。
