基于MOSFET的大功率快速放大器技術(shù)研究

方案

基于MOSFET的大功率放大器主要由MOSFET器件構成的逆變器電源模塊和放大模塊構成，其工作原理如圖2所示。整體結構采用模塊化分布方式設計，電源模塊和放大器模塊分開(kāi)，其連接通過(guò)電纜分別連接，這樣便于拆裝移動(dòng)。電源模塊為單相放大模塊提供100kW的供電電源，其采用MOSFET管作為整個(gè)供電電源開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路。放大器部分將采用兩個(gè)功率放大器模塊進(jìn)行并聯(lián)輸出，其中一個(gè)功率模塊提供輸出的基波電流和諧波電流，并采用開(kāi)關(guān)放大器的原理進(jìn)行設計，減小設備的體積和重量，將此模塊設為模塊1：另一個(gè)模塊提供暫態(tài)電流，將采用線(xiàn)性放大器的原理進(jìn)行設計，將此模塊設為模塊2。模塊1和模塊2由主控模塊控制同步輸出，通過(guò)高速電流傳感器輸出不低于2000A的大電流。

基于MOSFET的大功率快速放大器的整個(gè)工作流程為：100kW主變電源模塊將380V的交流電轉為放大器模塊使用的直流電，通過(guò)電纜傳輸給放大器模塊，從而驅動(dòng)整個(gè)放大電路正常工作。主控模塊通過(guò)光纖一方面傳輸同步控制信號實(shí)現各相功率放大器同步輸出，另一方面傳輸數字輸出信號控制各相功率放大器各相輸出電流的幅值、相位和頻率等。功率放大器的高速DA模塊將主控模塊的數字信號轉為放大模塊能夠使用的模擬信號，通過(guò)功率模塊1和功率模塊2及其對應的高速電流傳感器實(shí)現大電流的穩態(tài)輸出和暫態(tài)控制，兩個(gè)功率模塊在輸出端通過(guò)電纜并聯(lián)，實(shí)現大電流同步輸出。

4基于MOSFET的大功率放大器構成

4.1電源模塊

目前功率放大器的電源模塊通常采用雙極型開(kāi)關(guān)管的逆變器電路，基極驅動(dòng)電流基本上為開(kāi)關(guān)電流的1/B，因此要實(shí)現大電流開(kāi)關(guān)電路必須采用多級放大，這樣不僅使電路復雜化，可靠性也變差，而且隨著(zhù)輸出功率的增大，開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電流需大于集電極電流的l/B，致使普通驅動(dòng)IC無(wú)法直接驅動(dòng)。雖說(shuō)采用多級放大可以達到目的，但是波形失真卻明顯增大，從而導致開(kāi)關(guān)管的導通/截止損耗也增大，而多采用MOSFET管作開(kāi)關(guān)器件能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。MOSFET管漏一源極間導通電阻，具有電阻的均流特性，并聯(lián)應用時(shí)不必外加均流電阻，漏源極直接并聯(lián)應用即可。同時(shí)，MOSFET管是由電壓進(jìn)行控制，控制方式方便，且其具有輸入電阻高，噪聲低，熱穩定性好，抗干擾能力強，功耗低，體積小等優(yōu)點(diǎn)。

電源的處理技術(shù)對整個(gè)設備的重量影Ⅱ向非常大，普通的工頻變壓器100kW功率等級的重量在300-500kg，如果我們采用工頻變壓進(jìn)行降壓隔離處理，那么電源部份就非常重，并且功率因數也較低，所以這種方式并不適用于現場(chǎng)的搬運和測試。因此，我們采用開(kāi)發(fā)5-10kW的電源模塊，多個(gè)電源模塊進(jìn)行并聯(lián)使用的方法?？紤]到設備并非工作在長(cháng)時(shí)間連續的狀態(tài)下，分布設計可以分散電源熱量。同時(shí)，不必采用很大功率的器件，可減輕電源重量，提高電源的穩定性。另外功率小的電源開(kāi)關(guān)頻率可以做得相對較高，越大功率等級的電源開(kāi)關(guān)頻率越低。所以采用多個(gè)模塊并聯(lián)的工作方式將會(huì )大減小電源部份的重量。

4.2放大器模塊

設定設備的帶載能力50V，帶載的峰值電壓應該為50x1.414=70.7V，最大電流2000A，最大的峰值電流為2000x1.414=2828A，電流的上升時(shí)間最大為500us，我們可以推算出輸出負載的最大電感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以設備輸出的電感負載必須<12.5uH。輸出負載的直流阻抗是根據輸出線(xiàn)路的長(cháng)短和截面面積決定的，為了減小重量，輸出線(xiàn)路我們預設為lm，來(lái)回則為2m，純銅線(xiàn)的電阻率為1.75x10m，輸出線(xiàn)路采用200mm2，輸出線(xiàn)路的直流阻抗R=1.75x10x5000x2=1.75x10，2000A的電流在直流阻抗上形成的電壓Ul=2000Ax1.75x10=0.35V：50Hz的交流電，2000A基波電流在最大感性負載上形成的電壓U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

所以基波2000A輸出時(shí)需要的最大負載電壓V=（0.352+7.852）112，U=7.858V：2000A基波帶載能力應該>10V，為保證模塊l的開(kāi)關(guān)工作在大于80%的占空比，模塊l的輸出濾波電感可以確定為輸出負載感抗的4倍左右，L=50uH。假定基波為0A時(shí)，IKHz諧波頻率輸出時(shí)的最大諧波電流應為I<100A；模塊l的最小連續電流>6A，占空比為50%，開(kāi)關(guān)頻率暫設為100KHz。

因此，放大器模塊l的主功率拓撲參數可以確定。采用全橋開(kāi)關(guān)放大器，開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，電源電壓為80V，輸出濾波電感為50uH。模塊從0A到輸出峰值的上升時(shí)間為t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模塊2的主功率拓撲參數為也可以基本確定：采用全橋線(xiàn)性放大器，電源電壓80V，0A到輸出峰值電流的上時(shí)間為450us，模塊2的輸出時(shí)間t=2.45ms。模塊l和模塊2是并聯(lián)工作的，輸入的信號為相同的模擬信號，模塊2提供初始階段的暫態(tài)信號，當暫態(tài)信號輸出完成，模塊二停止，模塊接續模塊的輸出，進(jìn)行連續輸出。

5結論

基于MOSFET的大功率放大器技術(shù)能夠實(shí)現大電流的輸出，可以暫態(tài)控制電流變化，電流輸出Ⅱ向應時(shí)間快，精度高，不僅能夠完成變電站通流試驗，還能在互感器一次側模擬各種短路故障，實(shí)現變電站二次系統整體測試。同時(shí)，采用分布式設計理念，電源供電模塊與放大器模塊分開(kāi)設計，減少整體體積和重量，便于拆裝移動(dòng)，極大方便變電站現場(chǎng)調試檢修服務(wù)?；贛OSFET的大功率放大器技術(shù)真正實(shí)現了變電站一次系統故障真實(shí)模擬，對變電站現場(chǎng)調試檢修、電力科學(xué)院及高校和科研機構的電力研究有據大的幫助和指導意義。