高铁中倍压整流电路的原理分析与仿真

2018-04-17陈鼎元邓吉利

电焊机 2018年3期

陈鼎元，邓吉利

（1.成都石室中学，四川成都 610041；2.西华大学电气与电子信息学院，四川成都 610039）

0 前言

近年来，随着高铁的快速发展，在高铁中需要高压的直流电压，如果采用传统的升压变压器升压后再整流，升压变压器的损耗及噪声将造成电源的转换效率低，系统不稳定。随着电力电子技术的快速发展，大功率开关管器件的问世，以及先进数字控制技术的提出，通常采用倍压整流提供高电压直流输出。在工程应用上常采用半波倍压整流电路、信克尔倍压整流电路以及对称倍压整流电路[1]。本研究对半波倍压整流电路和信克尔倍压整流电路进行理论分析，通过仿真对比分析两种电路的优缺点。

1 倍压整流电路

1.1 半波倍压整流电路的工作原理

半波倍压整流电路的典型结构如图1所示，假定电路中所有元器件都是理想的，不考虑电路中的纹波现象等因素，该电路可以等效为普通线性电路[2]。

第一个半周：变压器二次电压为上负下正，VD1导通、VD2截止，电源经VD1向电容C1'充电，在理想情况下，此半周内VD1可看成短路，同时电容C1'充电到U，即

第二个半周：变压器二次电压为上正下负，VD1截止、VD2导通，电源经 C1'、VD2向 C1充电，由于电源和电容C1'共同向C1充电，所以C1最终会被充电至 2U，即

第三个半周：变压器二次电压再次变为上负下正，VD2截止。因为UC1'与电源电压相等但方向相反，因此VD1截止。电路通过VD3向电容C2'充电，充电完成后电压与UC1相等为2U，即

第四个半周：变压器二次电压变为上正下负，VD1和VD3截止，由于电源电压与电容UC1'之和与UC1相等但方向相反，因此VD2截止。电路通过VD4向电容C2充电，充电完成后电压为2U，即

负载上的电压

最终负载上的电压为四倍压。

图1 半波倍压整流电路的典型结构Fig.1 Typical structure of half-wave voltage doubler rectifier circuit

1.2 信克尔倍压整流电路的工作原理

信克尔倍压整流电路的典型结构如图2所示。

第一个半周：变压器二次电压为上负下正，VD1导通，VD2截止，电源经过VD1向C1充电，此半周内VD1可看作短路，同时C1充电到U

第二个半周：变压器二次电压为上正下负，VD1截止，VD2导通，电源和C1通过VD2共同向C2充电，所以C2最终被充电至2U

第三个半周：变压器二次电压为上负下正，VD2截止。由于电源电压和UC1幅值相同但极性相反，因此VD1截止，VD3导通，电源和C2通过VD3共同向C3充电，最终C3被充电至3U

第四个半周：变压器二次电压为上正下负，VD1、VD3截止。由于U+UC1=UC2，因此VD2两端压差为零，VD2截止。电源和C3通过VD4共同向C4充电，最终C4上的电压被充电至4U

最终负载上的电压为四倍压。

图2 信克尔倍压整流电路的典型结构Fig.2 Typical structure of schemes doubler voltage rectifier circuit

2 倍压整流电路的仿真

2.1 仿真模型的搭建

在MATLAB中搭建半波四倍压整流电路和信克尔四倍压整流电路的仿真模型，见图3、图4。在两种模型中，选取交流电压幅值为220V，频率25kHz，变压器变比 220∶1 050，电容 1 μF，负载 15 kΩ[3]。

2.2 仿真结果分析

图3、图4电路输出电压波形分别如图5、图6所示。半波四倍压整流电路输出电压在1.04 ms左右稳定，输出电压脉动幅值约为130V，输出脉动电压的底部值约为4.04 kV；信克尔四倍压整流电路输出电压在0.7 ms左右接近稳定，输出电压的脉动幅值约为30 V，输出脉动电压的底部值约为4.13 kV。由此可知，信克尔倍压整流电路的输出脉动电压远小于半波倍压整流电路，输出电压建立时间短于半波倍压整流电路，输出电压高于半波倍压整流电路。

3 结论

（1）半波倍压整流电路的输出电压的建立时间较长，输出电压较低，适用于功率较小的高压电源。

（2）信克尔倍压整流电路的输出电压建立时间较短，且输出电压较稳定，输出电压较高，但是当信克尔倍压整流电路要实现高电压输出时就必须采用高耐压的电容，尤其是最后一级电容的耐压为输出电压值，因此，当倍压倍数高的情况下，在选择电容时对电容的耐压要求就较高，使得制造时对绝缘处理技术要求比较高，工艺难度增大[4]。采用模块化的倍压整流电路代替高压排电容和高压二极管阵列可以提高高压电源的稳定性和可靠性，减小高压电源的体积，满足小型化的要求[1]。