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适用于中压系统的绝佳绝缘电源

GvA Leistungselektronik GmbH公司的Thomas Schneider,Christoph Bergold 2019-05-07

具有高反向电压和大电流承载能力的功率半导体对于扩展智能的本地供电网络是必不可少的。然而,为了可靠地操作这些部件 - 无论是用于控制,监视还是通信目的 - 总是需要与地电位隔离的外部辅助电压,这对绝缘提出了很高的要求。新的“GvA电源系统”具有高绝缘电压和局部放电电阻,并具有卓越的性能和效率。qwW电子头条

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由于使用越来越分散的发电机,电力网络的巨大变化速度使网络运营商更难以保证网络的稳定性。通过提供无功功率并确保所需的短路电流,消除了大型同步发电机,使网络的保护装置能够完美地工作,从而引发了对替代方案的密集工作。未来大型和小型能量存储系统的组合意味着必须非常快速地适应当前的网络状况,以保证瞬时的主要和次要控制功率。qwW电子头条

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所需的高阻断功率半导体,例如阻断电压高于7000V的IGBT,IGCT和晶闸管,已经在市场上出售,并用于补偿系统,网络互连和滤波器。但所有这些半导体开关都有一个共同点:工作时,它们需要额外的辅助电压,使用这些辅助电压可以控制,监控和保护相关组件。这些基本辅助电压相对于地电位处于高电平,因此必须具有适当的绝缘。这里不仅实际的绝缘强度很重要,而且还可以避免局部放电。GvA推出了一款极其紧凑的高性能DC-DC转换器,专为此类作业而设计。qwW电子头条

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GPSS(GvA供电系统)qwW电子头条

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GPSS专门用于提供辅助电压并提供两个电隔离输出电压。它极其紧凑的设计和每通道至少150W的高额定功率使其与众不同。每个通道均单独控制,并具有浪涌电流限制器,以限制具有高容性输入的负载的输出电流,以及短路电流限制器和关断设施。如果存在恒定过载,则智能控制可确保在故障清除后,受影响的通道将自动关闭并重新激活。qwW电子头条

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GPSS的突出特点包括:qwW电子头条

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•极其紧凑的尺寸(73毫米x 200毫米x 165毫米)qwW电子头条

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•两个单独的输出qwW电子头条

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•连续输出:每通道150 WqwW电子头条

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•典型输出电压:35 VDCqwW电子头条

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•典型电源电压:24 VDCqwW电子头条

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•最大效率:94%qwW电子头条

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•绝缘电压:35 kVACqwW电子头条

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•局部放电消光电压:21 kVAC(prim。 - sec。)qwW电子头条

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•局部放电消光电压:14 kVAC(秒 - 秒)qwW电子头条

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•间隙:210毫米(原子 - 秒)qwW电子头条

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•间隙:165毫米(秒 - 秒)qwW电子头条

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图1.由于其高绝缘电压,GvA电源系统非常适合中压应用。qwW电子头条

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转换器拓扑结构包括初级侧的全桥串联谐振转换器和次级侧B2电路中的同步整流器。该电路配置可实现高达94%的效率,因此有助于确保设备的固有加热非常低,并且需要最少的外部冷却。qwW电子头条

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典型电源电压为24 V DC,全部可用容量范围为21.6 V DC至25.2 V DC。由于两个输出通道彼此分开控制,因此也可以实现不平衡负载,并且输出可以串联连接。qwW电子头条

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GPSS的底板既用作安装板又用作主要切换步骤的冷却板。两个初级全桥的低热功率损耗通过基板从外部消散,这意味着必须有足够的散热。qwW电子头条

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图2.新的GPSS是IGCT和IGBT堆栈的完美绝缘供电单元。qwW电子头条

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监控运行状态qwW电子头条

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每个GPSS都监控其关键操作参数,并通过设备初级侧的光纤发射器指示状态。指示在规定的延迟之后的输出(过载或短路)信号的状态,以及在初级切换步骤中不允许的输入电压范围或过高的温度。qwW电子头条

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图3.由于采用模块化设计,GPSS也可以并行运行,从而增加输出通道的数量。qwW电子头条

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并行连接GPSS模块qwW电子头条

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如果应用需要两个以上的辅助电压,由于其灵活的设计,GPSS模块可以在任何配置中在初级侧并联连接。在这方面,可以通过单个光导监视所有GPSS,极大地简化了监视管理。编码通过输入插头进行,设计为故障安全; 因此,开路也被认为是故障。qwW电子头条

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原则上,GPSS模块初级侧的电源可以从模块到模块循环。在这种情况下,只需要观察输入插孔和连接器条的最大电流负载。qwW电子头条

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外壳及其绝缘qwW电子头条

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GPSS具有两个输出通道,其相对于输入侧具有至少35kV AC的绝缘电压。由于GPSS的输出和基板之间存在相当大的电位差,通常处于地电位,因此保证了该绝缘部分的至少21kV AC的局部放电消光电压,而消声电压则为两个输出之间的绝缘至少为14 kV AC。qwW电子头条

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为了在长时间运行期间保证这些参数,在选择外壳材料时,优先考虑电气稳定性和环境影响下的行为。所使用的材料已经过多年的试验和测试,也用于生产中压和高压绝缘子。它可以通过适当的方法容易地成形,并且可以在没有空气或气体被捕获的情况下进行处理。它不受侵蚀性环境影响,即使在长时间的极端电力负荷下也不会改变其特性。内部隔离屏障的专门开发的几何形状确保电场在初级侧和次级侧之间均匀分布。该优化的场控制防止了过高的局部场强,防止了次级侧电子模块中的相关内部局部放电。qwW电子头条

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图4. GPSS 221-24的示意性框图。qwW电子头条

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外部绝缘主要通过高跟踪电阻来确保 - 所使用的外壳材料的CTI > 600 - 并且输出和输入之间的爬电距离和间隙距离分别为210 mm和180 mm。 qwW电子头条

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转换器拓扑qwW电子头条

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对最小损耗和尽可能低的固有加热的一致要求需要具有零电压开关或零电流开关行为的谐振转换器拓扑。由于其良好的控制特性,特别是在过载或短路的情况下,在GPSS中使用串联谐振电路以用于操作可靠性原因。变压器使用罐芯,绝缘材料位于其两半之间。由于由此产生的大气隙,两个锅芯半部的磁耦合减小并且漏电感增加。然而,适当的电路测量可以优化变压器的效率,同时降低系统引起的固有谐振频率。这对整体效率有双重积极影响。首先,变压器的磁化损耗降低,其次,较低的开关频率减轻了输出级的负载,并且驱动MOSFET所需的能量较少。qwW电子头条

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串联谐振电路拓扑使得控制相对简单,并且即使在过载或短路的情况下也提供优异的操作可靠性,因为它是系统本身固有的。qwW电子头条

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传输到变压器次级侧的交流电压使用自适应同步整流器转换为直流电压,并在任何工作状态下提供最小的半导体损耗。qwW电子头条

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简而言之,GPSS为有源元件和模块提供简单,可靠的电源,因为它们的绝缘特性有限,因此无法使用传统的DC-DC转换器。这些组件不仅包括功率半导体,如中压变频器中的IGCT和IGBT,还包括相对于地电位高的一般保护,监控或控制模块,需要电气隔离电源。qwW电子头条

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