大功率或中功率電源系統往往需要獨立于主功率回路的輔助電源對其供電。輔助電源的輸出功率雖然不大，但它是一個電源系統中非常重要的部分，將影響到整個電源系統的性能。例如，一般的高壓變頻器都采用逆變單元串聯的方式，每個單元的對地絕緣電壓要求比較高。這就要求各逆變單元的輔助電源除滿足高穩定性和高可靠性的基本要求外，要與主回路電源相互隔離，各個單元之間也必須相互隔離，并且隔離的電壓等級要求很高。

在電源系統中，控制、驅動電路往往需要不同的電壓等級進行供電，而同一電壓等級也需要多個輔助供電電源。為了滿足這種輔助供電的需求，通常將輸入的電網電壓直接變換成負載所需要的供電電壓，或者通過增加變換器的輔助繞組來增加輸出的路數，再用較長的連線將轉換好的電壓連接到負載上。這種供電方式稱為集中式供電。

這種方法雖然設計簡單，供電獨立，但成本、體積、重量都會加大，且在需要有高電壓隔離的應用場合，變壓器必須做特殊處理才能滿足高壓隔離的要求。

近年來，分布式的多路輸出結構有了飛速的發展并且在一些電源系統中已經有了較為成熟的應用。所謂分布式的電源系統是指將輸入的電網電壓變換成某一中間電壓作為母線，再在需要的地方用一批直流/直流(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器，將其變換成系統所需要的電壓。這可以大大的減小重量和體積，提高可靠性，還可以更好的控制達到各負載板上電源的質量。

分布式電源系統的冗余性、擴展性、靈活性也大大加強。但其也存在一定的問題，就是在需要高壓隔離的場合，(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器一次側和二次側之間也必須達到需要滿足的絕緣耐壓要求，這就會使整個的成本增加。

在此基礎上，筆者提出了一種分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的設計方案，該裝置吸取了分布式輔助電源供電方式的優點，并且改進了其隔離性能，可以根據需要滿足不同電壓等級的絕緣耐壓要求。

1分布式高壓隔離輔助電源供電裝置硬件設計

由輔助電源供電裝置主回路電路、控制和檢測電路部分構成。

1.1 輔助電源供電裝置主回路電路

圖1 供電電路原理框圖

如圖1所示，供電裝置的主回路進線采用單相交流電源，經二極管D1~4后整流為直流，再經平波電容C1、C2濾波,得到一個直流電壓。在控制電路的作用下，半橋拓撲結構的逆變器（Q1、Q2）將直流電壓逆變成交流輸出，經負載（L1,C4或C5）形成閉合回路，得到交流電流。

該交流電流直接穿過各個分支回路的磁芯，在二次回路中產生交變的磁場，交變磁場在二次線圈中產生交變的感應電動勢，經整流、濾波、穩壓之后產生能供其他設備使用的輔助電源。

主回路與各個分支回路之間僅通過磁環內的交變磁場進行能量傳遞，就相當于一個有著多個副邊繞組的變壓器，一次繞組為穿過磁環的輸出線纜，二次繞組為各個分支回路磁環上的二次線圈。

一次繞組與二次繞組沒有直接電氣連接，僅在磁環處相距較近，只要交流線圈（即主回路逆變部分的輸出線纜）額定電壓足夠高，便可實現主回路與分支回路之間、各分支回路之間高隔離電壓的要求，比如，主回路逆變輸出采用額定電壓為10kV，2.5mm2的硅橡膠電纜,便可滿足10kV單元串聯式高壓變頻器的使用需要。

采用此種結構的優勢有：

• 1)安裝靈活：主回路交流線圈只穿磁環一次，各個磁環可以方便的移動到需要安裝的位置。
• 2)高隔離性能：一次側和二次側的電能通過交流線圈和磁環的電磁感應流通，只要交流線圈的耐壓等級足夠，各個二次側的磁環電氣間隙足夠，就可以滿足現場高壓隔離的需求。
• 3)主回路采用半橋拓撲結構，可以消除大部分IGBT導通、關斷時產生的諧波。其主回路交流線圈中的電流近似于正弦交流電流。
• 4)通過調整磁環二次側的繞線匝數可以方便的調整輸出輔助電源的電壓等級。
• 5)成本低。

1.2控制和檢測部分

控制和檢測部分如圖2所示，由電流檢測電路、溫度檢測電路、單片機[2]電路、IGBT驅動保護電路等組成。

圖2 控制和檢測部分原理框圖

單片機電路是整個裝置的核心處理部分，它實現各種數據的采集計算，實現整個裝置的保護邏輯，產生驅動IGBT的脈沖。它可以根據所檢測電流值、溫度值調整所給出的PWM脈沖信號。

IGBT的驅動電路采用金升陽公司的驅動芯片QP12W05S-37，主要接收單片機給出的PWM信號，將其轉換為IGBT的驅動脈沖，從而控制主電路的線圈電流。該驅動芯片可以實現驅動IGBT、隔離主回路和控制回路、實現過流和短路保護等功能。

電流檢測交流線圈中的電流大小，返回給單片機，實現電流閉環控制，可以實現主回路的過載保護。

溫度檢測電路檢測IGBT的溫度，實現對IGBT的過溫保護，防止IGBT因為工作在過溫狀態而損壞。

2主回路電路部分仿真

根據上面介紹的主電路結構搭建電路，并用Matlab進行了仿真。仿真模型的建立如圖3所示：

圖3 主回路仿真原理圖

其中的電源部分沒有用整流濾波電路，直接采用一個312V直流電源加上一個100mH的電感L3代替交流220V整流濾波電路作為仿真電路的電源，這并不影響仿真的真實性。互補脈沖的產生是用兩個脈沖信號發生器產生的，其中一個延時半個周期。然后在仿真的時候用示波器監測負載電感的電壓、電流和兩個IGBT的驅動脈沖。

圖4 主回路仿真電壓、電流和兩路IGBT互補驅動脈沖

在把占空比調節到50%的時候，仿真結果如圖4所示，自上而下依次是圖2中L兩端的電壓波形、電流波形、和兩路IGBT的驅動脈沖。其中四路波形的橫坐標均為時間，單位是0.001s。

3 實驗結果

用Fluke 43B電能質量分析儀實際測得圖1中L1的電流、電壓波形如圖5所示，其中波線①為電流波形，波線②為電壓波形，其橫坐標為時間，每大格250ms。整個主回路實際運行與仿真結果稍有差異，但差別不大，實測波形優于仿真波形，更接近正弦波。

圖5 主電路電壓、電流波形

4 軟件部分實現

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的主程序軟件流程圖如圖6所示。整個裝置上電后先初始化和自檢，自檢沒有問題之后先給主回路輸出一個占空比比較小的驅動脈沖，逐漸調整脈沖的占空比主回路的電流穩定在一定的范圍之內，保證裝置的穩定性，而后監測供電電流，如出現過流、過溫之類的故障，則會報警停機，保護整個裝置。

整個程序中也添加了許多抗干擾技術、軟件陷阱技術，防止程序跑飛，使整個裝置更加可靠、穩定。

圖6 高壓帶電體溫度檢測裝置的軟件流程圖

5 結論

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置已經在實驗室搭建并試驗成功，各路分支回路的輸出電壓穩定、可靠。主回路電流線圈采用10kV的絕緣電纜，可以供給10kV及以下電壓等級的電源系統使用，電氣絕緣性能可靠并且可以通過更換主回路的電流線圈滿足更高絕緣電壓等級的要求。

并且該裝置所輸出輔助電源的部分體積小、成本低，可以直接放置到電源系統需要輔助電源的電路板上面，也可以通過接線的方式連接到需要輔助電源供電的地方，安裝方便。

分布式高壓隔離輔助電源供電裝置很好的解決了傳統輔助電源隔離性能差的問題，可以根據需要滿足不同電壓等級的絕緣耐壓要求，具有很好的現實意義及應用前景。

本文編自《電氣技術》，作者為宋峰、吳建華 等。