電流饋入(Current-Fed)功率處理概述 

在過去的幾十年中，數十千瓦功率範圍內的開關電源已逐漸取代傳統的矽控整流器 (SCR) 拓撲。其優缺點眾所周知。開關電源的高頻操作可縮小磁性元件的尺寸和重量，並允許對線路和負載擾動做出更快的響應時間。主要缺點是，對開關元件的要求往往使得高功率開關電源的可靠性低於基於 SCR 的電源。

目前，許多功率電路拓撲正被用於高功率開關模式應用。最常見的配置包括三個功率轉換級：

• 一個交流到直流轉換器，將三相輸入市電轉換為直流電壓。
• 一個直流到交流逆變器或轉換器，將直流母線上的電壓轉換為高頻交流電壓。
• 一個次級交流到直流轉換器，將高頻交流電壓轉換為直流電壓。

這兩個交流到直流轉換器在功能上非常相似，只是工作頻率不同；這些轉換器主要由整流器、低通濾波器和緩衝電路組成。緩衝電路限制開關瞬態電壓並吸收寄生元件儲存的能量。第二級，直流到交流轉換器，產生一個高頻電壓，以通常為 20 kHz 或更高的頻率驅動變壓器。變壓器需要用於歐姆隔離並根據變壓器匝數比產生輸出電壓。直流到交流轉換器是最複雜的級，目前有許多功率處理拓撲正在生產中。

大多數高功率直流到交流轉換器利用 H 橋配置（四個功率元件）來激勵高頻變壓器。H 橋通過脈寬調變 (PWM) 或其他調變策略進行控制，以產生有限脈寬或幅度的電壓。H 橋的調變產生可控的輸出電壓。

直流到交流轉換器拓撲分為三組：硬開關轉換器、軟開關轉換器和諧振轉換器。這些拓撲之間的主要區別在於換向期間（開關轉換）開關元件的負載線。功率元件在換向期間耗散的功率最多。

硬開關轉換器允許功率元件和/或緩衝電路吸收換向能量。軟開關轉換器具有額外的無源電路，用於整形功率波形以減少換向期間的損耗。減少換向損耗的優點被增加的電路複雜性、額外的導通損耗（由於波形修改）和對負載條件的敏感性所抵消。諧振功率轉換器具有高度調諧的諧振電路，導致元件電壓或電流呈現正弦波。其優缺點與軟開關轉換器相似。諧振功率轉換器是二階的，時序比軟開關轉換器更關鍵。

硬開關、軟開關和諧振轉換器通常設計為從直流電壓源工作，通常稱為電壓饋入轉換器。典型地，電壓饋入轉換器容易出現直通問題，當一個元件在另一個串聯連接的元件導通之前未能關斷時，就會發生這種問題。雖然可以設計保護電路以最大程度地減少災難性問題，但通常，此類保護電路必須有效地在一到兩微秒內檢測到直通問題。元件參數的變化和電壓饋入轉換器的異常調變會導致半週期電壓不平衡，從而導致變壓器鐵心飽和。保護電路也必須在功率半導體損壞之前，檢測到這些情況並做出反應。

電流饋入式功率轉換器 [1]-[3] 是電壓饋入式轉換器的電氣伴侶，是另一種較不為人知和使用的功率電路替代方案，用於功率轉換。這些功率轉換器相較於其電壓饋入式對應物，其優勢在於直通和半週期對稱不會導致器件故障或磁芯飽和。這是基於 SCR 的轉換器的特性，也是電流饋入式轉換器傾向於更堅固的主要原因之一。電流饋入式轉換器的主要缺點是需要第四個功率轉換級，將直流母線電壓轉換為直流電流。雖然增加的級會導致額外的複雜性和損耗，但功率轉換級可以做得更有效率。電流饋入式功率轉換器拓撲的實施比電壓饋入式轉換器少，主要是因為成本。

本文描述了電壓饋入式和電流饋入式轉換器之間的差異，以及對導致功率半導體應力條件的敏感性。還討論了實施第四個功率轉換級（電壓到電流轉換器）的問題。

電壓饋入式轉換器的特性 Voltage-Fed Converters

圖 1 所示為電壓饋入式轉換器的簡化示意圖。該轉換器由 H 橋、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) Q1 至 Q4、功率變壓器 T1 和輸出整流二極管 D5 至 D8 組成。輸入電壓源可以是電池、直流電源或整流交流母線。出於實際原因，需要電容器 C1 以確保在較高頻率下具有低阻抗母線。電感器 L1 和電容器 C2 形成一個低通濾波器，用於去除輸出端的交流分量。

Figure 1. Voltage-Fed Converter

在傳統的硬開關 PWM 調製方案中，Q1、Q4 在半週期的一部分時間導通，Q2、Q3 在另一個半週期的一部分時間導通。這使得變壓器 T1 在交替的半週期中均勻激勵。對變壓器次級側的整流電壓進行平均，產生一個與 IGBT 導通時間成比例的直流輸出電壓。

電壓饋入式轉換器的時序至關重要。如果 IGBT Q1、Q2 或 Q3、Q4 同時導通，導通器件中的電流會迅速上升，導致器件在微秒內失效。為防止這種關鍵操作條件，設計人員在調製方案中引入了導通延遲，監測直流母線電流，並感測功率器件的導通狀態。成功實施這些保護方案的挑戰在於，電路必須對高速故障做出響應，同時對電氣雜訊不敏感。這是一個艱鉅的挑戰，特別是當功率水平達到數十千瓦時。

電壓饋入式轉換器的次要問題是產生直流電壓，其導通電壓、上升和下降時間以及錯誤的開關狀態存在變化。如前所述，用直流電壓激勵變壓器會導致磁芯飽和和功率器件故障。規避災難性事件的典型方法是在變壓器中放置氣隙，在變壓器初級繞組中串聯放置直流阻斷電容器，以及採用電流模式調製以實現逐週期電流平衡。

電流饋入式轉換器的特性 Current-Fed Converters

電流饋入式轉換器是電壓饋入式轉換器的電氣對偶。如圖 2 所示，電流饋入式轉換器由 H 橋、IGBT Q1 至 Q4、功率變壓器 T1 和輸出整流二極管 D5 至 D8 組成。輸入電流源必須通過額外的電力電子電路產生。出於實際原因，需要電感器 L1 以確保在較高頻率下具有高阻抗母線。與電壓饋入式轉換器不同，輸出濾波器由單個元件組成，電容器C1.

Figure 2. Current-Fed Converter

電流饋入轉換器的工作模式是電壓和電流波形與電壓饋入轉換器的工作模式相反. 操作要求IGBT Q1至Q4進行PWM調製, 但在這種情況下, 限制條件是Q1, Q3或Q2, Q4絕不允許同時處於非導通狀態. 該限制確保H橋的輸入阻抗始終是有限的; 否則, 電流源饋入開路電流會產生破壞性的高電壓. (應當指出, 對開關狀態和異常操作條件施加的限制是電壓饋入拓撲的電氣對偶.) 對變壓器次級側的整流電流進行平均, 產生與IGBT導通週期成比例的直流輸出電流.

變壓器T1, 由於受到電流PWM波形的激勵, 對於導通電壓的變化, 上升和下降時間的變化以及錯誤的開關狀態基本上不敏感. 對於電流饋入轉換器, 只要安匝激勵在正常操作範圍內, 即使電流是直流電, 也可以防止磁芯飽和.

電流饋入轉換器的缺點是電流源不常用, 並且必須從電壓源創建此類電流源. 降壓轉換器或斬波器的部署是顯而易見的選擇, 因為它們非常有效地利用了功率半導體. 通過這個額外的功率轉換級, 控制可以放在電流饋入轉換器, 斬波器或兩者中. 圖3顯示了一個高功率轉換器, 帶有3相輸入整流器, 斬波器, 電流饋入轉換器和輸出整流器.

Figure 3. Rectifier, chopper, and current-fed converter

電流饋入轉換器與輸入斬波器結合的新穎特點是其在異常操作條件下的性能. 變壓器T1, IGBT Q1至Q5以及二極體D1至D8都可以在短路狀態下運行, 並具有系統級保護. 在這種情況下, 電流上升速率是電感L1兩端施加電壓除以其電感值的函數. 電感L1通常設計為將峰峰值紋波電流維持在其最大值的一小部分內. 只要系統在斬波器的開關週期內關閉, 峰值電流就能得到很好的控制. 允許延長的故障檢測週期可以使故障保護電路得到很好的濾波, 從而在高電氣噪聲環境中實現穩健, 無誤的跳閘操作.

斬波器和電流饋入轉換器組合的另一個關鍵特點是, 每個電路都可以通過單一檢測方案相互保護, 防止異常高電流. 轉換器級的故障可以通過斬波器關閉來保護, 斬波器級的故障可以通過電流饋入轉換器關閉來保護.

電流饋入轉換器開關狀態的先前限制可以通過引入續流二極體D16來規避. 當IGBT Q1, Q3或Q2, Q4關斷時, 該元件提供電流回流路徑. 二極體D16將H橋的最大關斷電壓鉗位到電容器C1兩端的電壓.

結論

本文描述了高功率電壓饋入和電流饋入轉換器的一般特性，以及它們對設備參數變化和錯誤開關狀態的敏感性. 電壓饋入轉換器通常在輸入電容器上串聯連接功率器件. 異常開關狀態可能導致器件同時導通，從而使電流迅速增加. 此外，電壓饋入轉換器還可能產生直流偏移，導致主變壓器的磁芯飽和. 在這些情況下，為了保護功率半導體，需要高速故障檢測. 在高電氣雜訊環境中保護功率半導體是困難的.

電流饋入轉換器更傾向於短路狀態而非開路狀態運行. 這些拓撲結構不會產生快速上升的電流尖峰，也不會在錯誤條件下導致磁芯飽和. 電流饋入轉換器以SCR基功率電源的穩健性運行，但頻率較高. 電流饋入轉換器需要額外的功率處理級，可用於控制和增強系統保護.

References

• A. I. Pressman, Switching Power Supply Design - Second Edition, New York, NY: McGraw-Hill, 1998.
• P. Wood, Switching Power Converters, New York, NY: Van Nostrand Reinhold Company, 1981.
• D. W. Shimer, A. C. Lange, J. N. Bombay, "A High-Power Switch-Mode DC Power Supply for Dynamic Loads," presented at the IEEE-IAS Annual Meeting, Oct. 1994.

Originally published by Magna-Power Electronics