论文摘要：介绍了500kv福州变电站#1联变冷却器控制回路设计上的缺陷；提出改进措施。
1引言
500kv福州变#1联变是保定天威变压器厂与日本三菱公司合作生产的第一台500kv变压器。冷却系统采用nefp—3型冷却器，由风扇、潜油泵、散热器、油流指示器及控制回路组成，是强迫油循环风冷（ofaf）型冷却系统。一共有10台冷却器，按奇偶号数分为两组（奇数组和偶数组）。每台冷却器由两台风扇和一台潜油泵及散热器片构成。该冷却系统控制系统设计原理较先进、功能较齐全，两路交流工作电源之间、两路直流控制电源之间、奇数组冷却器（或偶数组冷却器）之间分别互为备用。
奇数组和偶数组冷却器互为备用。若置于第一组则奇数组处于为主运行状态，其自动投退由#1联变高压侧开关5011、5012分合闸控制，偶数组处于辅助状态，其自动投退由绕组温度达到65℃控制。置于第二组时相反。该冷却控制回路基本保证了联变冷却系统在各种异常情况下，联变保持有足够的冷却器持续运行，使联变不发生过热现象，确保联变稳定可靠运行。
2冷却器工作原理
2.1冷却器交流动力电源供电方式
#1联变冷却器采用交流动力电源独立双回方式供），两路独立交流工作电源分别取自380\220v所用电ⅰ段413屏和ⅱ段423屏，分别经52m1和52m2向奇数组冷却器和偶数组冷却器供电。正常运行时，两路交流工作电源同时投入工作。
43s—冷却器交流电源切换开关；52m1—冷却器＃1交流电源开关；52m2—冷却器＃2交流电源开关；52mn—冷却器＃1交流电源联络开关；52me—冷却器＃2交流电源联络开关；t—52m1、52m2分闸线圈；27m1—ⅰ段电源电压继电器；27m2—ⅱ段电源电压继电器；27m3—联络段电压继电器
2.2双回路电源备自投原理
两路交流工作电源通过联络开关52mn和52me互为备用，并受43s控制。当43s置“电源1”时52mn开关合，52me开关断开，这时交流ⅰ段通过52mn向联络段供电。当43s置“电源2”时，52me开关合，52mn开关断开，交流ⅱ段通过52me向联络段供电。
（1）正常运行(以43s置“电源1”为例)
52me分闸：dc220电源经43s(电源1)开关、27m1tx常闭接点、27m2tx常闭接点，52me分闸线圈通。
52mn合闸：dc220电源经43s(电源1)开关、52mex常开接点、52mnx常开接点52mn合闸线圈通。
（2）自投过程
交流ⅰ段失压则：
52m1分闸：交流ⅰ段失压则27m1失磁，27m1t励磁，经延时后27m1tx励磁。dc220电源经27m1tx常开接点，52m1分闸线圈t励磁。
52me合闸：dc220电源经27m1tx常开接点、43s(电源1)52mex常开接点，52me合闸线圈励磁。
52mn这时仍在合位，奇数组冷却器由交流ⅱ段供电继续运行。
3存在问题及改进方法
3.1问题
交流工作电源失压后再来电，影响1组冷却器供电(以奇数组冷却器为主运行为例)，表现为两种情况：①所用电交流ⅰ段因#1所用变故障而失压，即使所用电备自投动作，至少也要经3s才能使交流ⅰ段恢复为有压，这是由于为防止两段所用电并列，备自投动作时间设定为3s。②所用电ⅰ段倒至由ⅱ段供电，引起所用电ⅰ段短时失压。
所用电ⅰ段短时失压时，各开关动作情况如下：
52m1分闸：交流ⅰ段失压则27m1失磁，27m1t励磁，经延时后27m1tx励磁。dc220电源经27m1tx常开接点，使52m1分闸线圈t励磁。
52me合闸：dc220电源经27m1tx常开接点、43s(电源1)52mex常开接点，52me合闸线圈励磁。
52mn这时仍在合位，奇数组冷却器由交流ⅱ段供电继续运行。
当交流ⅰ段再来电时（27m1返回）。
52me分闸：dc220电源经43s(电源1)开关、27m1tx常闭接点、27m2tx常闭接点，52me分闸线圈通。
由于52m1仍在分闸位置，因此，在手动合上52m1之前，奇数组冷却器、联络段暂时失压，奇数组冷却器失电。且奇数组冷却器为主运行，偶数组冷却器在联变绕组温度达到65℃之前不会投入运行，因此在联变绕组温度达到65℃之前联变无冷却器运行，如果时间较长，容易引起联变内部局部过热，对联变的安全运行造成影响。同样，所用电交流ⅱ段短时失压也会出现这种情况。
这种情况下恢复奇数组冷却器电源应注意：已分闸的开关52m1不能直接手动合上。原因是：当交流ⅰ段再来电时52me分闸，52m1仍在分闸位置，此时联络段处于失压状态，27m3失磁，27m3t励磁，经延时后27m3tx励磁。根据52m1分闸回路：dc220电源经43s(电源1)、27m3tx常开接点、52mnx延时闭合瞬时断开常闭接点，52m1分闸线圈一直处于励磁状态，52m1手动合上又分开。正确处理方法是：先将43s切至“电源2”，再合上52m1开关，或手动断开52mn开关，再合上52m1。
3.2改进方法
（1）对于所用变故障备自投动作引起的情况
调整辅助时间继电器27m1t、27m2t、27m3t延时接点动作时间。27m1t、27m2t、27m3t延时接点动作时间应大于所用电备自投动作时间加上备自投开关固有合闸时间。使得52m1（52m2）分闸能躲过所用电备自投动作，避免交流动力电源失压后再来电，影响1组冷却器供电。原27m1t、27m2t、27m3t延时接点动作时间设定为1s，无法躲过备自投动作时间（3s），将27m1t、27m2t、27m3t延时接点动作时间调整为5s后，该问题解决。
（2）倒所用电引起的情况
可在倒所用电之前，将冷却器运行方式由奇数月倒至偶数月运行方式（奇数组和偶数组规定每月轮换一次），虽然倒所用电过程52m1仍会自动分开。但这时冷却器为偶数组冷却器主运行，52m1分开不影响冷却器运行，只需倒完所用电后再将52m1手动合上。
也可以将偶数组冷却器手动投入4台运行。即使因倒所用电引起交流ⅰ段短时失压，奇数组冷却器、联络段暂时失压。也能保证联变有冷却器在运行，倒完所用电后再恢复冷却器原来运行方式。
建议：今后在倒所用电时，不必将所用电备自投退出，直接拉开要停电的所用变二次进线开关，让备自投动作，恢复所用电供电，通过合理设定辅助时间继电器27m1t、27m2t、27m3t延时接点动作时间，使其躲过备自投动作时间，避免交流工作电源失压后再来电，影响1组冷却器供电。这样，既避免了上述因倒所用电而需要进行的冷却器倒换操作，又检验了所用电备自投动作的正确性。
关键词：两路电源TN供电系统；安全可靠性；供配电安全；措施
1应用实例分析
在应用实例一中(如图1所示)，当2台变压器分列运行时，低压母线联络开关断开;当2台变压器并列运行时，低压母线联络开关闭合。在以上两种情况下，供配电系统均能正常运行，不存在安全隐患。但是，当其中一台变压器停运，另一台变压器单独运行，而低压母线联络开关断开时，运行中的变压器一旦发生短路或接地故障，而保护装置未能切断电源的情况下，由于工作零线(N)的导通作用，在停用的变压器上就可能会形成一定的电压。如果系统工作接地电阻失效，此电压会超出所允许的安全电压，极可能导致人身触电事故的发生。
在应用实例二中(如图2所示)，当2台变压器单独、分列或者并列运行正常时，供配电系统及用电设备均能正常运行，不存在安全隐患。但是，当其中一。台变压器在运行过程中发生接地或短路故障而保护装置未能切断电源时，同样由于工作零线(N)的导通作用，则在另一台变压器和TN-C制电网内的用电设备外壳上就可能会形成超出安全电压范围的危险电压，引发人身触电事故。
在应用实例三中(如图3所示)，供配电系统虽然采用TC-S制电网，但由于采用的是三相三极断路器或隔离开关，仍然存在安全隐患。当其中一台变压器停用时，由于工作零线(N)导通作用，供配电系统中有杂散电流流过，不利于供配电系统的安全运行，其大小与三相负荷的不平衡度有关。当杂散电流超过一定值时，不仅会引起变压器过热，而且很可能会使工作零线呈现出危险的对地电压，引发人身触电事故。
2改进方案
通过分析三个应用实例存在的问题，分别给出以下改进方案。
对于应用实例一，首先将2台变压器低压端处以及低压联络母线上的三相三极断路器或隔离开关更换为三相四极断路器或隔离开关，使工作零线(N)与三相电源线(L1,L2,L3)同时接通或断开;其次将保护接地线(PE)与工作零线(N)在2台变压器低压端断路器或隔离开关的前端连接，使保护接地线(PE)与工作零线(N)保持常通，如图4所示。
对于用实例二，除将2台变压器低压端处的三相三极断路器或隔离开关更换为三相四极断路器或隔离开关外，还必须将TN-C制电网内的用电设备按照TN-S制电网接线，将用电设备的工作零线(N)与保护地线((PE)严格分开，并保持其相互独立。
对于应用实例三，只需将用电设备的2个电源引入点处的三相三极断路器或隔离开关更换为三相四极断路器或隔离开关，就可以消除系统内的杂散电流。
3结束语
为确保双电源TN供配电系统的安全、可靠性，必须做到:
(1)变压器或发电机的中性点不直接接地，N母线应通过PE母线或PEN母线间接接地。
(2)变压器或发电机的中性点至主配电盘内的N母线或PEN母线应全部绝缘。
(3)从N母线或PEN母线至PE母线只允许在主配电盘内一点接地。
(4)PE母线除了在总接地端子或进线处接地外，可在多处重复接地。
(5)两电源间的连线不可直接接到用电设备。
(6)馈电回路全部采用TN-S制配线，电源通断应使用单相两极、两相三极、三相四极器或隔离开关。
参考文献
（1）苏文成。工厂供电〔M].第2版.北京:机械工业出版社，2002
1.1断路器在分闸位置，电动操作断路器合、分闸原理由于低压系统单母线分段运行，断路器1QF在工作位置分闸后，接通控制电源电动操作断路器合闸时，必须确保断路器2QF或3QF在分闸位置，即接触器2KM或3KM的常闭接点在接通位置实现闭锁。断路器1QF在工作位置时，位置开关SQ是接通的，此时手动按下合闸按钮QA时，中间继电器1KA线圈回路被接通，即L11FUQA2KM（3KM）TASQ1KAN，中间继电器1KA励磁动作，其三对常开触点1KA1、1KA2、1KA3闭合，其中常开触点1KA1接通自保持回路，即L11FU1KA12KM（3KM）TASQ1KAN，此时即便合闸按钮QA返回断开时，中间继电器1KM仍处在励磁状态。因为断路器1QF分合闸位置开关2SQ在分闸位置时，其常闭触点2SQ1是接通的；中间继电器2KA线圈回路被断路器分合闸位置开关2SQ在分闸位置时，其常开触点2SQ2是切断的，且中间继电器2KA常闭触点2KA2处在闭合状态，中间继电器1KA的常开触点1KA3的接通，使合闸回路接通，即L11FU1KA32KA22SQ1MN，交流微型电机M带电驱动断路器操作机构使断路器合闸。合闸到位后，断路器分合闸位置开关常开常闭触点转换，常闭接点2SQ1断开，合闸回路中的电机M被分合闸位置开关常闭触点2SQ1切断，电机在此位置可靠停止，断路器实现合闸。中间继电器1KA1接点组成的自保持回路在电路别重要，因为在手动操作合闸过程中，如没有自保持回路，在合闸按钮QA按下后立刻返回时，中间继电器1KA动作后随即也返回，接通合闸回路的中间继电器1KA常开触点1KA3打开，微型交流电机M在断路器还未合闸时停止，导致合闸失败。此类故障在低压断路器操作中比较常见，中间继电器1KA的工作状态需引起运行人员的格外注意。断路器实现合闸后，分合闸位置开关常开触点2SQ2接通，中间继电器2KA线圈回路被分合闸位置开关常开触点2SQ2接通励磁，即L11FU1KA22SQ22KAN，中间继电器2KA的常开触点2KA1、2KA2闭合，常开触点2KA1对2KA线圈回路实现自保持，常开触点2KA2为断路器分闸做好准备。操作低压断路器1QF分闸时，按下分闸按钮TA，中间继电器1KA线圈回路被切断，中间继电器1KA失磁，常闭触点1KA1闭合，此时，分闸回路被中间继电器1KA常闭触点1KA1接通，即L11FU1KA12KA2MN，微型交流电机M驱动断路器操作机构动作使断路器分闸。断路器分闸后，分合闸位置开关常开触点2SQ2打开，切断中间继电器2KA线圈回路使其失磁，常开触点2KA2打开，微型交流电机M回路被常开触点2KA2切断，电机M停止，断路器实现可靠分闸。1.2低压断路器1QF在工作位置合闸后，电动操作断路器分合闸原理当断路器1QF在工作位置合闸后，接通控制电源电动操作断路器分闸时，由于分合闸位置开关常开触点1SQ1、常开触点2SQ1闭合，中间继电器2KA也失磁，常闭触点2KA1闭合。中间继电器1KA线圈回路通过分合闸位置开关常开触点1SQ1或常开触点2SQ1和中间继电器2KA常闭触点2KA1自动接通，即L11FU1SQ1（2SQ1）2KA11KAN，中间继电器1KA励磁。此时操作低压断路器分闸过程与断路器1QF在工作位置分闸后，接通控制电源电动操作断路器分、合闸原理时分析的分闸过程相同。假设控制电路中，若无分合闸位置开关常开触点1SQ1或常开触点2SQ1回路，低压断路器在合闸位置，接通控制电源操作断路器分闸时，由于中间继电器1KA无法自动励磁动作，中间继电器2KA也不能励磁动作，此时若按分闸按钮TA，无法使断路器分闸；在上述情况下，若进行分闸，只有先手动按一下合闸按钮QA，使中间继电器1KA励磁并实现自保持，这样可使2KM也能可靠励磁，使常开触点2KA2闭合，才能为断路器分闸做好准备，此时若手动操作分闸按钮TA，能使断路器分闸。
2低压断路器控制电源接线的改进
2.1低压断路器原控制电源的接线低压断路器1QF控制电源（L1）取自变压器1TM低压侧，变压器1TM故障失电时，低压断路器1QF控制电源（L1）将会消失，显然低压断路器1QF的控制电源接线不可靠；低压断路器2QF控制电源（L2）取自变压器2TM低压侧，变压器2TM故障失电时，低压断路器2QF控制电源（L2）也将会消失，低压断路器2QF控制电源接线也同样不可靠。为了保证低压断路器1QF、2QF控制电源的可靠性，原控制电路采取了互投的方式，母联断路器3QF控制电源（L3）由控制电源（L1）和控制电源（L2）通过互投电路提供，控制电源互投电路原理如图5左边图中所示。变压器1TM带电，变压器2TM不带电时，控制电源（L1）带电，（L2）不带电，接触器1KM的线圈回路接通，即L11FU2KM11KMN。接触器1KM励磁动作，常开触点1KM1闭合，控制电源（L3）由变压器1TM提供，即L11FU2KM11KM1L3回路接通，此时即便是变压器2TM带电，由于接触器1KM的常闭触点1KM1已打开，接触器2KM的线圈回路被切断，控制电源（L3）只能由变压器1TM提供；变压器1TM失电，变压器2TM带电时，因变压器1TM失电，接触器1KM同时失磁，常开触点1KM1打开，常闭触点1KM1闭合，接触器2KM的线圈回路自动接通，即L22FU1KM12KMN，接触器2KM励磁动作，接触器2KM的常开触点2KM1接通，控制电源（L3）由变压器2TM提供，即L22FU1KM12KM1L3回路接通。控制电源瞬时切换至由变压器2TM提供，可见母联断路器3QF控制电源（L3）在变压器1TM、2TM同时带电时，能可靠输出，当变压器1TM、2TM中有一台失电时，能够瞬时切换，可靠输出。2.2低压断路器1QF、2QF控制电源接线的改进低压断路器1QF、2QF原控制电源存在变压器1TM、2TM失电时，接线可靠性差的问题，母联断路器3QF控制电源由于采用了控制电源（L1）和控制电源（L2）互投电路输出的方法，接线比较可靠。为了使变压器1TM、2TM低压侧断路器1QF、2QF控制电源更加安全可靠，我们将断路器1QF、2QF控制电源L1、L2均并接至母联断路器3QF的控制电源L3上，即L1、L2、L3均并接到一起，如图5右边图中所示。这样，当变压器1TM或2TM失电时，低压侧断路器1QF、2QF控制电源将不会再丢失，增加了控制电源可靠性和运行安全性。
3小结
当只有输入电源2(Uin2)供电时，双输入升压变换器的电路拓扑如图6(a)所示，其等效电路如图6(b)所示。在这种情况下，双输入升压变换器的工作原理与只有输入电源1供电时相同，通过2个开关电容网络中的电容电压累加升压，得到相同的输出效果。
2性能分析
2.1电容电压
每个开关电容网络中的电容电压大小相等，为输入电压的1/(1D)倍，通过前级Boost电路的升压和2个开关电容网络中电容电压的累加实现变换器升压的作用。
2.2电感电流纹波
图7给出了双输入升压变换器的电感电流波形。图7(a)为电感L1的电流iL1波形，图7(b)为电感Lo的电流iLo波形，其中IL1、ILo分别为电感L1、Lo的平均电流。由于电感L1、L2的电流波形相近，因此以电感L1的电流波形为例进行分析。
2.3电路瞬时特性分析
任何一个输入电源工作时，该变换器的工作原理都相同，因此，本文以输入电源1工作情况为例分析该变换器的瞬时特性。
3仿真分析与实验研究
3.1仿真分析
为验证基于开关电容网络的双输入升压变换器理论分析的正确性，本文基于Matlab/Simulink搭建了仿真模型。以双输入升压变换器为例，仿真参数：输入电源电压Uin1=Uin2=20V，工作在开环状态，占空比D=0.50。输入电感L1=L2=1mH，输出滤波电感Lo=2mH，开关电容网络中的电容均取47F，输出滤波电容Co=100F，开关频率fs=100kHz，负载R=610。占空比D=0.50时，变换器的升压比为5。图9为双输入升压变换器分时供电时的仿真波形，其中0~0.3s期间为输入电源1单独工作，0.3~0.6s期间为输入电源2单独工作。图9(a)~(c)给出了变换器中电感L1、L2和Lo的电流波形，当输入电源1工作时，流过电感L1的电流大小为0.85A，而流过电感L2的电流大小为0；当输入电源2工作时，流过电感L1的电流大小为0，而流过电感L2的电流大小为0.85A，验证分时供电的正确性。此外，输入电感L1、L2电流纹波小，输出滤波电感Lo的电流大小为0.17A，电流纹波比前者略大。输入电感电流大小是输出电感电流大小的5倍，与升压比大小5相比较，二者刚好满足变换器的功率守恒原理。图9(d)~(f)给出了开关电容网络中的电容电压和输出电压波形，电容电压大小近似为40V，输出电压接近100V，满足理论计算值，且电容电压和输出电压纹波都较小，其中输出电压纹波更小。
3.2实验研究
为进一步验证双输入升压变换器的工作性能，对该变换器进行了实验研究，采用仿真实验参数，其中开关管S选用IRF640N，二极管均选用肖特基二极管IN5819。图10给出了双输入升压变换器的实验波形，其中，US1、US2分别为开关管S1、S2的端电压，UD11、UD12、UD23分别为二极管D11、D12、D23的反向端电压。图10(a)为输入电源1工作时的实验波形，图10(b)为输入电源2工作时的实验波形，均包括开关管端电压波形、二极管端电压波形、电容电压、输出电压波形(包括其纹波电压波形)以及输入输出电流波形。需要说明的是，开关管端电压是指开关管的漏极与源极之间的电位差，二极管端电压是指二极管的阴极与阳极之间的电位差，为反向端电压。比较图10(a)与图10(b)可知，在相同的工作条件下，输入电源1与输入电源2分时工作的输出效果相同，验证了仿真分析的正确性。此外，该变换器的输出电压稳定，接近100V，为输入电源电压的5倍，纹波大小为2.0V；开关电容网络中的电容电压都为40V，为输入电源电压的2倍，纹波大小为1.5V；2种工作情况下的输入电流波形相近，纹波相对较小，同时输出电流波形也相近，但会出现一些小幅度的电流冲击，这是因为开关电容网络中电容的充放电特性引起的。除此之外，还可以看出，在这2种输入电源工作下，开关管和二极管电压应力大小接近40V，即为输入电源电压的1/(1D)倍，电压应力较小。开关管S1和S2由同一信号隔离驱动，当这2个开关管导通时，3个二极管都关断；当这2个开关管关断时，3个二极管都导通。开关管和二极管的工作状态与理论分析一致。
4结语
1.传统逆变器及其优缺点
传统逆变器包括电流源逆变器和电压源逆变器。电压源逆变器是输入直流电压输出交流电压，可以使用在不同的场合，输出电压的幅值可以是变化的也可以是恒定的。但是电压源逆变器的输入端必须是一个恒定的电压源。或者是在直流侧接入一个大的电容器。也可以是由电网经过整流，或者是蓄电池，太阳能电池组等等。逆变器的输出端可以是正弦波，方波，阶梯波等。
电压源逆变器的重要特点也是它的优点就是输出波形不受负载的影响。电压源逆变器主要应用于交流不停电电源、光伏电池组或者是蓄电池燃料电池构成的交流电源，静态无功补偿器。
电压源逆变器虽然得到了广泛的应用，但是它存在理论上和和实际中存在缺陷和不足；应用在许多地方会造成装置造价高、效率低。
如图1所示是传统的电压源逆变器的拓扑结构。可以把直流电压变换成交流电压。途中有6个开关，每个开关反并联一个二极管，作为续流用。这样可以实现双向电流和单向阻断。但是电压源逆变器会存在下列不足和缺点：
（1）交流侧负载只能是电感性的，只有这样才能使电压源逆变器正常工作。
（2）交流侧的电压不可能高于直流侧母线的电压。这是一个很致命的缺点。如果在某些场合下，交流侧需要较高的电压输出，那么就必须配合升压变压器了。这样就会增加成本，降低效率，占用过多的空间，导致使用起来比较笨重。
（3）每个桥臂不允许上下一块导通，要不然会造成短路导致器件损坏，而且电磁干扰也可以造成误导通，造成短路，影响电路的稳定性，可靠性。
图1传统的电压源逆变器的拓扑结构
电流型逆变器如图2所示，其输入侧需要一个恒定的电流才能保证其正常工作。这种情况和电压源恰好相反。电流源逆变器拓扑结构的主要器件是晶闸管和串联一个正向的二极管。能看出来电流源逆变器和电压源逆变器在好多方面都是对偶。
同样电流型逆变器也存在先天的理论不足主要如下：
（1）交流侧必须是电容性，只有这样才能保证其正常的工作状态。
（2）交流侧的输出电压只能高于直流侧的电压，同样是这一点要是在某些场合需要低电压，那么就需要配一个降压变压器了。这样既增加了成本又不能兼顾效率。
（3）无论何时电流型逆变器一个桥臂上的两个器件必须同时导通，这样才能保证电流源逆变器的正常工作。要不然就会发生开路，造成不必要的后果。
综上所述，电压源型逆变器和电流源型逆变器存在共同的不足：
（1）都只是升压或者是降压。
（2）输出的电压要不是低于输入侧要不就是高于输入侧，不能进行调节。
（3）都存在电磁干扰容易造成器件损坏造成电路瘫痪。
（4）两种逆变器的电路不能够相互替换。
图2电流型逆变器
2.Z源逆变器的产生
考虑到上述情况，Z源逆变器应运而生。Z源逆变器最早是在2002年提出的。他是一种新型的逆变器拓扑结构。克服了以前电压源逆变器和电流源逆变器的不足。
Z源逆变器引入了Z源网络，把逆变器主电路和电源或者是负载耦合。如图3所示。
图3Z源逆变器
Z源逆变器的直流侧可以是电压源也可以是电流源，Z源网络包含两个电容器和两个电感。这种结构决定了它可以瞬时开路和瞬时短路。其负载侧既可以是电容性的和可以是电感性的。
3.Z逆变器的工作原理分析
为了说明Z源逆变器的工作原理，首先让我们简单的介绍一下Z源逆变器的结构特点。三相的Z源逆变器一共有9个可以允许的工作状态，而普通的也就是传统的三相电压型逆变器只有8个可以允许的工作状态。如果直流电压加到负载上时，传统的三相电压源逆变器会有六个非零的电压状态，当负载端分别被上面的或者是上面的三个器件短路的时候，传统的三相电压源逆变器有两个零电压状态。而三相Z源逆变器还有另外一个零电压状态。当负载端被上下两个器件短路时，传统的三相电压源逆变器的这个状态是不被允许的，这个状态下传统的三相电压源逆变器的元件会受到损坏。但是Z源逆变器是允许有这个状态的。正是因为这个原因Z源逆变器可以实现升压或者是降压。
利用戴维南定理，从直流端看进去Z源逆变器的等效电路，当Z源逆变器的逆变桥处在直通状态下相当于短路，等效电路图如图4所示，当处于其他状态时Z源逆变器的逆变桥可以看成是一个电流源，如图5所示。
图4
图5
假设Z源逆变器的两个电感L1和L2电感量相等的，两个电容C1和C2的电容量是相等的。那么Z源逆变器就是对称的。两个电容两端的电压相等假设等于VC。两个电容两端的电压也相等假设等于VL。
在一个开关周期T中，假设有T0时间是出于直通状态的。也就是图4等效电路图所示。可知VC和VL是相等的。Vd等于Vc两倍的。在这个状态下V1等于零。
在一个开关周期T中，假设有T1时间是出于非直通状态的。也就是图5等效电路图所示。可知VL是V0和VC的差。Vd和V0是相等的。Vi是VC和VL的差。V0是直流电压源的电压。
在一个开关周期T中，在稳态下电感两端的电压的平均值是0。综上所述，可以得出：
加载逆变桥上的直流电压的平均为：
加载逆变桥上的直流电压的峰值为：
B是直通零电压下的升压因子。
Z源逆变器的输出端的相电压的峰值为：
M是逆变器的调制因子。
综上；这个公式说明通过调节直通状态下的就能选择合适的升降压因子，输出的电压就可以升高降低。是有M和B共同决定的。
4.结论
由以上分析可以得出：Z源逆变器可以根据实际情况调节输出电压的高低，而且可以使逆变器承受瞬间短路。而这种特性是传统电压源型逆变器和电流源型是不可能做到的。
参考文献
[1]FangZhengPeng，LihuaChen，FanZhang，SimpletopologiesofPWMAC-ACconverters，PowerElectronicsLetters，IEEE，Volume：l，Isuse：l，Mareh2003，Pages：10-13.
[2]彭方正，房绪鹏，顾斌等.Z源变换器[M].电工技术学报，2004，19（2）：47-51.
关键词：等离子屏；开关电源；功率因数校正；全桥变换器；零电压零电流软开关
中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：1004373X(2011)22022204
ADedicatedPowerSupplyforPDP
GENGBingqun,ZHANGHongjin,DONGShengliang,YUANTixun,WEITongan
(CollegeofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China)
Abstract：AdedicatedpowersupplywasdesignedformultiscreeenPDPwithtwoleveltransformation.TheBoostPFCcircuitisadoptedinthefirststageAC/DCtransformation,andthefullbridgeconverterorsingleendflybackconverterisusedinthesecondstageaccordingtothesizeofthepowersupplyofdifferentcircuits.AnimprovedmethodisproposedforthecustomaryBoostPFCcircuittoeffectivelysuppresstheinstantaneouslargecurrentwhenopeningswitchtubeinhighpowercases.Inthemaincircuitofthesecondstage,asecondarypassivegroundclampZVZCSfullbridgeconvertersuitableforhighpoweroutputisemployed.Itcanwithreducetheswitchlosseffectively.
Keywords：PDP;switchingmodepowersupply;PFC;fullbridgeconverter,ZVZCS
收稿日期：20110726
基金项目：国家“863”计划资助项目（2006AA09Z231）0引言
等离子体显示技术是利用氦、氖、氮等混合气体在密闭空间加压放电产生等离子体生成紫外线使荧光屏成像的技术。等离子显示屏（PlasmaDisplayPanel）作为平板显示器的佼佼者，它的厚度只有普通显像管电视的1/10，重量仅为普通显像管电视的1/6，观看视角达到160°以上，画面不受磁场影响，具有较高亮度和对比度。等离子显示屏中，电源担负着所有电路和显示屏的供电。包括向驱动电路提供维持电压和扫描电压，以及控制板、接口板等部件的+5V，+15V电压。同时，电源还应具有针对显示屏故障的过压过流保护功能，为了保护显示屏和扫描电路，电源必须有严格的工作时序。所以对于等离子显示屏而言，电源的设计是其中举足轻重的一部分［1］。
1PDP屏专用电源的参数要求
PDP电源是一种具有保护功能的大功率电源。本设计电源用于一种由多块显示屏拼接而成的显示系统中，每块屏的大小为16英寸，整个屏幕由5×4块屏组成。每块屏的功率约为80W，整个屏幕的功率约为1600W。本设计的专用电源设计输出负载要在2kW左右。专用电源的输入电压为85~260V，频率为50/60Hz。
等离子显示屏有多种工作方式，这里不做赘述。本文中的显示屏为三电极表面放电方式。其驱动电压比较复杂，显示一幅画面需要经过3个时期：准备期、寻址期、维持显示期。准备期负责擦除所有点的残余壁电荷，寻址期负责在需要发光的点上积累壁电荷，到了维持期有壁电荷的点就会持续发光，形成一幅图像［2］。其驱动波形如图1所示。
图1三电极表面放电PDP电压驱动时序但本文设计的电源只为显示系统提供大功率180V高压和+5V逻辑电压及+15V驱动电压。显示屏需要的其他高压又每块显示屏的控制电路产生。表1为各种输出电压及负载能力表。
表1输出电压和负载能力
序号功能符号额定电压/V额定电流/A1待机电源VSB5.02.02逻辑电源V55.024.03驱动电源V15154.04高压电源VS18010
控制电源与数字电路CPU通过6针端子相连，如表2所示。
表2接口端子
序号功能符号说明1交流信号检测ACok输出1表示有交流输入2待机电源VSB输出5V待机电源3电源控制VRL当为1时表示要接通驱动及逻辑电源4高压检测VS_on当为1时表示要接通高压电源5电源检测V5_ok输出1表示逻辑及驱动电源正常6地GND
2PDP电源的工作时序
PDP电源在工作时，具有严格的开机时序和关机时序。当插上整机电源插头后，输出待机电源VSB，同时交流信号检测ACOK=1。此时按下开关。数字电路CPU向电源发出电源控制信号，使VRL=1,电源向各种逻辑电路、控制电路、保护电路提供+5V,+15V电源，然后将V5_ok置1。当电源检测信号V5_ok=1时，数字电路CPU向电源发出VS_on=1。PDP电源向显示系统提供180V高压。关机时，先关掉高压电源，然后再关掉+5V,+15V电压［35］。工作时序如图2所示。
3电源电路设计
交流输入电压经过EMI滤波器和浪涌电流抑制电路后，送往待机电源和PFC电路，交流输入经过PFC电路后产生400V的直流电压。其余的电路均基于此PFC电路的输出。
3.1PFC电路的设计
全桥整流加滤波电容的AC/DC变换电路由于只有整流桥输出电压高于电容电压时才有电流给电容充电，导致输入电流波形畸变严重，使功率因数降低。
为解决这个问题，本设计中前级AC/DC变换采用BoostPFC变换器。该结构电路具有输出电流连续，电流波形畸变小，输入电流脉动小的特点。输出电压可以高于输入电压。输入电压范围为交流85~260V，功率因数可达0.99。其拓扑结构图3所示。
图2PDP电源时序图图3典型BoostPCF电路结构图3中的二极管应该采用超快回复二极管，但当PFC电路功率较大时，二极管结温升高会使得二极管反向恢复时间变长，导致开关管导通瞬时电流很大。为了解决这个问题，在二极管与开关管之间串联了一个小电感。这个小电感可以有效的抑制由于二极管反向恢复时间变长而导致的开关管导通瞬时大电流［6］。
改进的主电路PFC拓扑结构采用了FA5502功率因数控制芯片，当输入电压在85~260V之间变化时，输出电压可保持稳定。FA5502采用推拉输出级，输出电流可达1A以上，因此输出的固定频率PWM脉冲可直接驱动大功率MOSFET。
3.2开关变压器电路设计
PWM技术是指在开关变换过程中通过改变开关时间的长短来保证负载变化时负载上的电压保持不变。PWM技术以其结构简单，控制方便获得广泛应用，但是传统的开关技术中，开关管的通断控制与开关管上流过的电流和器件两端的电压无关，开关管的开通和关断是在器件上的电压和电流不为零的状态下强迫进行的，称之为“硬开关”。由于功率器件并不是理想的开关器件，器件开关时电压和电流会有一个交叠区，产生开关损耗。当器件工作频率越高，开关损耗就会越严重［7］。为了解决开关损耗问题，必须保证开关管零电压、零电流开关，同时由于本变压器功率较大，所以采用次级无源箝位ZVZCS全桥变换器。变压器副边采用中央抽头结构，全波整流方式。高压电源的电路图如图4所示。
图4次级无源箝位ZVZCS全桥变换器原理电路该电路超前臂和传统的移相控制ZVSPWM变换器一样实现零电压开关，由于输出电感参与了超前桥臂的谐振，所以在原边漏感很小的情况下也可以给超前桥臂开关管S1，S3并联电容C1,C3来实现零电压开关。辅助电路在输出滤波电感磁芯上加一个绕组，当原边向副边传送能量时，由增加的绕组经辅助回路给箝位电容Ch充电。其后当S1关断，原边电压过零期间，Ch经过二极管Dh放电，把电压折射到原边，通过箝位电容的放电，流经变压器原边的电流下降到0，为滞后桥臂提供零电流开关条件［8］。SW1~SW4为IGBT的驱动信号。各开关管的时序和整个电路的工作状态如图5所示。
3.3关于次级箝位ZVZCS电路的几点考虑
3.3.1关于超前桥臂的零电压开关条件分析
对于超前桥臂而言，只要与开关管并联的电容足够大就可以很好的保证开关管零电压关断。为了实现超前桥臂的零电压开通，要求有足够的能量来使超前桥臂的开关管外部并联的电容充、放电，从而让即将开通的开关管的反并联二极管自然导通。
为了获得超前桥臂的零电压开通，谐振时间和死区时间应满足：Tdead>t34+t45（1）
t34=T4-T3=KCeqVI-KVHIO（2）
t45=T5－T4=1ωbarcsinK2VHCeqωbIO（3）为了保证有足够的能量来使超前桥臂的开关管外部并联的电容充、放电。则(3)式中：K2VHCeqωbIOK2VHCeq/Llk（5）虽然超前桥臂的开关管并联电容越大，零电压关断效果越好，但是过大又限制了零电压开关的负载范围。所以Ceq选择应该在开关损耗和负载两者之间折中。同时，减小K、VH，增大Llk都有利于零电压的实现，但增大Llk有恶化副边占空比的丢失。
图5次级无源箝位ZVZCS变换器工作波形图3.3.2关于滞后桥臂的零电流开关条件分析
要想保证滞后桥臂的零电流开关，要求在滞后桥臂关断之前原边电流下降到0。原边电流的下降主要发生在次级箝位节段，所以在次级开始箝位时Ch中的能量要能够使Llk上的储能得到全部释放。即：12LlkI2p(IOcosωbtm5KVH)2Llk（8）所以Ch的大小要满足式(8),但Ch过大又增加了给Ch充电的环流，而且Ch要保证在原边向副边传送能量结束之前充电结束。所以Ch应该在保证零电流开关情况下尽可能小。
在滞后桥臂关断之前，要保证ip能够下降到0，则应该满足：1ωcarcsin［IOZcVHK2cos(ωbtm5)］
3.3.3耦合输出电感及输出滤波电感与耦合电感的变比要保证辅助电路的二极管Dc的软开关，则Ch应该在原边向副边传送能量之前充电完成。
在Ch充电时Llks与Ch谐振，谐振频率ωs=1/LlksCh:ich(t)=VH2ChLlkssin(wst)（10）充电时间为半个谐振周期，在忽略原边漏感的情况下，充电时间要小于2TSDmin，即：Llks
箝位电容Ch的充电电压值满足如下关系式：VH=2m(VIK－VO)（12）式中：m为滤波电感与其耦合电感的变比。
为保证二极管Dh在非箝位是不导通，要求VH不能大于VIK，则：m>2(VI－KVO)VI（13）这种次级无源箝位ZVZCS全桥变换器，由于采用了零电压和零电流软开关有效的抑制了开关损耗，提高了变换效率。采用了全桥变换器拓扑结构，可以满足大功率的需求。但这种电路结构复杂，成本高，并且由于器件多，其可靠性也降低［10］。对于本系统的待机电源和逻辑及控制电源功率比较小，可以采用单端反激式变换器，以降低成本。由于篇幅限制这里不再对单端反激变换器进行分析。
4结语
等离子显示器与其他显示器相比，具有体积小，高亮度和高对比度的特点。但等离子显示屏与其他显示屏相比电压驱动比较复杂，所以对电源的要求比较高。对于等离子显示屏而言，电源是其中关键的一部分，要求输出电压高、输出功率大、纹波系数小和噪声低。本文所设计的PDP电源满足了以上要求。
参考文献
［1］李正军.一种等离子显示屏PDP控制电源［J］.电子自动化，2005(25):4850.
［2］王晓峰.彩色PDP显示控制电路设计［D］.南京:东南大学，2005.
［3］李正军.等离子显示屏电源设计［J］.电视技术，2003(5):4648.
［4］林耀亮.应用于等离子电视智能电源的设计与研究［D］.厦门:厦门大学，2008.
［5］刘云清.等离子显示屏PDP电源的设计［J］.中国有线电视，2005(15):14971502.
［6］张厚生.单向Boost功率因数校正器的优化设计［J］.电力电子技术，2005,39(3):3637.
［7］周志军.软开关电源设计与仿真研究［D］.武汉:武汉大学，2004.
［8］张谬钟.高功率因数软开关电源研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.
［9］李明.基于Boost变换器的高功率因数软开关电源研究［D］.南昌:南昌大学，2008.
［10］陈翼军.一种含负压输出的多路PDP电源设计［J］.电子器件，2008,31(2):423427.
作者简介:耿丙群男，1987年出生，山东聊城人，在读硕士研究生。
张洪进男，1987年出生，山东菏泽人，在读硕士研究生。
董升亮男，1986年出生，山东青岛人，在读硕士研究生。