CN101652010A - 太阳光模拟器驱动电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳光模拟器驱动电源，采用BUCK电路结构进行高频变换及峰值电流采样的斜率补偿；在BUCK电路和负载之间串接准预电离及点火电路。所述BUCK电路含有三相整流桥V3，工频滤波电感L1、L3，电感L1与电容C1并接在主开关V1的集电极，所述主开关V1的发射极与储能电感L2和续流二极管V2联接，所述主开关V1的基极与控制电路联接；所述电感L3与电容C1、续流二极管V2及输出滤波电容C2并接。所述准预电离及点火电路中，采用过压保护器件取代触发点火的可控硅，实现点火电路自动点火及关闭。本发明体积小、重量轻，可适应负载复杂变化伏－安特性，获得高稳定度的驱动电流，适用于所有的长弧氙灯、氪灯等非线性气体放电灯的驱动。

Description

太阳光模拟器驱动电源

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种太阳光模拟器驱动电源，用于大功率氙灯或氪灯组构成的太阳电池阵光照设备的氙灯、氪灯等非线性气体放电灯的驱动。

背景技术

太阳辐照条件的模拟技术是研究模拟太阳光辐照特性的一门技术，其中包括了不同大气质量条件下的太阳光谱特性，太阳总辐照度、太阳光准直角、辐照不均匀度和辐照不问度等。国内外已有的太阳电池阵光照设备中，其光源多采用短弧氙灯、碘钨灯等光源来模拟不同辐照条件，通常存在结构复杂、成本高或色温偏低等问题。而且对于大面积辐照来说，在某种程度上光源的辐射效率、太阳常数都会受到一定限制，不能满足测试要求。而使用长弧氙灯作为光源则可以解决上述光源的不足。

传统长弧氙灯驱动电源是通常由磁饱和变压器、电抗器或者通过可控制硅相控整流的方式对氙灯进行驱动。此类电源驱动氙灯因为采用的通常为工作频率为工业低频或者中频对氙灯电流进行调节，调整精度不高。且调整元件体积庞大，效率低下。

近些年随着电力电子技术的发展，在大功率氙灯驱动领域出现了采用现代电力电子器件的高频逆变方案，一定程度上改善了的氙灯驱动电源的调整精度，大幅减轻了电源驱动器的体积和重量。但其都采用了离线式的开关电源进行逆变，效率很难达到在70％以上。这使得在总输出功率达上百kW量级的氙灯组驱动场合，逆变效率难以进一步提高成为制约应用现场供电容量的一个较严重的瓶颈。

在常规采用高频逆变的大功率氙灯驱动电源中，均采用了离线式的变换结构。在高频逆变的开关电源中，整机的大量损耗由以下三点构成：

1).DC-AC环节：开关器件的开启、关断和截止漏电流损耗，以及开关管的通态损耗；

2).高频磁路传输环节：高频开关变压器的磁芯损耗以及线圈损耗；

3).AC-DC环节：整流器件的反向恢复损耗及通态损耗。

通常技术中的预电离方式采用工频升压、整流，再加上功率电阻限流的方法实现氙灯的预燃。该方法的优点在于电路结构简单，最大的问题在于工频升压变压器提供了所有氙灯预燃以及限流电阻所需的损耗功率，变压器体积较大。且输出电路输出无法调整，氙灯预燃以后电阻消耗的大量电能甚至超过氙灯预燃本身。电路效率非常低下。而且通常限流电阻为大功率电阻，而且电阻通常处于高电位，所以使用该电路方式会给整机需要紧凑化的结构设计带来较大负担。

随着开关电源技术的普及，越来越多的场合开始采用开关模式的预电离电路。该电路的特点为：电路输出的电压较高，通常可达1-3kV；当氙灯点火并进入预燃状态以后电路进入开关调整的恒流模式。但是该电路的引入对与氙灯驱动电源需要增加一套完整的恒流模式开关电源，成本较高。

氙灯是一种由惰性气体构成的气体放电光源。氙这种元素通常条件下非常稳定，因此氙灯在产生驱动电流前的点火、预燃成为了氙灯应用的一个难点。在常规的氙灯点火方式中所采用串联触发、并联触发以及灯管外缠绕触发丝的外触发三种点火方式。不管采用哪种点火方式，都需要控制一只功率可控硅对储能电容进行触发放电把足够的点火能量送入高压点火变压器对氙灯进行点火。在氙灯点燃以后，该点火电路仍会反复工作，或者设置专门检测电路将其关闭。而对于大功率氙灯组的点火，由于点火能量较高，反复点火的工作过程极易损坏点火用可控硅。

在采用以上任意一种点火方式时都需要配以一个具有稳流特性的预燃电路。在氙灯被高压点火脉冲击穿后迅速捕捉氙灯击穿过程在氙灯中形成一个较小电流的预燃电流，把氙灯阻抗降到足够低以使主逆变电源能够驱动氙灯。这个附加的预燃电路需要具有稳流特性，特别是对于大功率的氙灯组需要消耗一定的连续功率。增加了氙灯驱动电路的复杂性，降低了整机效率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种太阳光模拟器驱动电源，该电源获得驱动主回路的高效率，并减小驱动电源的体积、重量，适应氙灯负载复杂变化的伏-安特性，以获得高稳定度的驱动电流。

本发明为实现其目的所采取的技术方案为：本发明充分利用负载氙灯无需与供电电网隔离，采用最简单、最高效的BUCK电路结构进行高频高效变换，所述BUCK电路与准预电离相并联、与点火电路相串联并输出到负载。

所述BUCK电路含有将交流电变为直流电的三相整流桥V3，两只用来压制整流过程中的峰值电流和减少高次谐波产生的工频滤波电感L1、L3，所述工频滤波电感L1与母线电容C1并接在逆变回路主开关V1的集电极，所述主开关V1的发射极与储能电感L2和逆变回路的续流二极管V2联接，所述主开关V1的基极与控制电路联接；所述工频滤波电感L3与母线电容C1、续流二极管V2并接；逆变回路经隔离二极管V4与准预电离及点火电路连接。

所述逆变回路主开关V1采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。

所述准预电离及点火电路含有工频升压变压器T1和点火变压器T2，所述工频升压变压器T1输出经整流管V5整流后通过限流电阻R1向预电离储能电容C3进行充电，以及通过限流电阻R2向点火储能电容C4充电；自触发放电管V6联接在点火储能电容C4和负载之间。

所述逆变回路的输出中的隔离二极管V4，其额定电流大于主驱动电流，其额定电压大于准预离单路的最高输出电压。

逆变回路的反馈环节中，采用基于峰值电流采样的斜率补偿，所述负载为氙灯负载或氪灯负载。

本发明可用于对太阳电池阵光照设备中的长弧氙灯进行驱动，进而在地面模拟空间飞行器的太阳能电池阵在空间接受太阳光照并发电工作的状况。

同时，该电源的技术方案适用于所有的长弧氙灯、氪灯等非线性气体放电灯的驱动。结合太阳电池阵光照设备的太阳光模拟技术，在光伏产业中的太阳能电池的量产检测也将提供一个高效的手段。

在太阳光模拟器这种氙灯组无需要接地的应用场合(无需与电网隔离)，采用无隔离变压器的最简单、最高效的BUCK电路结构进行高频变换，以获得驱动主回路的高效率，并减小驱动电源的体积、重量。

在逆变回路的反馈环节中，采用了基于峰值电流采样的斜率补偿。这样可以适应氙灯负载复杂变化伏-安特性，以获得高稳定度的驱动电流。

预燃电路采用准预电离机制，在保证点火、预燃功能性及可靠性的前提条件下最大限度地减小预燃电路的功率，使其成为点火与主回路驱动的中间过程，称之为“准预电离”。这样大大简化了预燃电路，减少了驱动电源整机的复杂性及功率损耗。

点火电路采用特殊结构，直接从预电离电路取电而无须独立设置电源。并且使用电路自身特有结构能够自动判断氙灯工作状态。整机加电以后，若氙灯未点燃点火电路自动进行点火；当氙灯成功点燃以后，自动关闭退出。

本发明的有益效果：驱动电源的体积小、重量轻，可适应负载复杂变化伏-安特性，获得高稳定度的驱动电流，适用于所有的长弧氙灯、氪灯等非线性气体放电灯的驱动。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为本发明的变换回路原理框图；

图2为未采用斜率补偿的采样电路在受到扰动后的调整动作波形图；

图3为采用斜率补偿的采样电路在受到扰动后的调整动作波形图；

图4为本发明准预电离及点火电路结构示意图。

具体实施方式

本发明采用BUCK电路结构进行高频变换，变换回路的反馈环节中，采用了基于峰值电流采样的斜率补偿；在BUCK电路和负载之间联接了一个准预电离及点火电路。所述负载为氙灯负载或氪灯负载。

图1为本发明的变换回路原理框图；如图1所示在此框图中，V3为三相整流桥，将电网中380V交流电变换为500V左右直流，供后续BUCK电路使用；L1、L3为工频滤波电感，这两只电感主要用来压制整流过程中的峰值电流，减少电源输入不控整流过程中高次谐波的产生，以提高整机的功率因数；C1为BUCK电路的母线电容，用于存储、并提供变换回路高频斩波的电能；V1为BUCK电路主开关，该主开关采用绝缘栅双极性晶体管，即IGBT；L2为BUCK电路的储能电感、V2是BUCK电路的续流二极管，V4为隔离二极管；C2为输出滤波电容；XL1为氙灯负载。

所述BUCK电路中的主要器件及联接关系。该电路含有将交流电变为直流电的三相整流桥V3，两只用来压制整流过程中的峰值电流和减少高次谐波产生的工频滤波电感L1、L3，所述工频滤波电感L1与母线电容C1并接在逆变回路主开关V1的集电极，所述主开关V1的发射极与储能电感L2和逆变回路的续流二极管V2联接，所述主开关V1的基极与控制电路联接；所述工频滤波电感L3与母线电容C1、续流二极管V2并接；逆变回路经隔离二极管V4与准预电离并联、与点火电路串联并输出到负载。

上述斩波回路中，其特点是仅使用了一只开关器件，且无整流环节。因而采用了BUCK电路结构的氙灯驱动电源整机实测效率可达90％以上。这一特性在总输出功率达上百kW的太阳光模拟器中使用，不管是从供电容量的角度还是节约能源的角度来看，其性能都是无可比拟的。

在BUCK电路的反馈环节中，采用了基于峰值电流采样的斜率补偿方案。该方案能够保证驱动电源在氙灯非线性的负载条件下能够稳定工作，并能够获得平均电流±1％的电流调控精度。其原理如图2、图3所示，在两张调整示意图中实线部分为电路正常工作时的电流波形，而长划线部分为电路受到扰动以后的电流波形：

在图2中，采样电路在未采用斜率补偿。此时如负载发生迅速变化、干扰等扰动条件下，控制电路会对开关管的占空比进行大范围调整，如图中的D1、D2。而且此时采样系统中进入一个小范围的扰动会引起输出较大范围抖动。

而图3则是采用了斜率补偿后的调整结果。在图中的基准线上，叠加一定比例的斜率的锯齿波进行补偿。当扰动发生时由于斜率补偿的存在，可以看出：相邻周期的D1、D2的占空比并未随着扰动的出现而大范围变化，而且扰动对与输出电流的影响也被限制在了很小的范围内。

由氙灯的原理可以知道，在驱动氙灯时实际上是在氙灯管内维持一定密度的等离子体。又因为在风冷条件下的长弧氙灯应用中，等离子体无法充满灯管内壁。所以灯管内等离子体在维持过程中无法避免的会出现剧烈、无规律调整的变化，在BUCK电路中采用了峰值电流的斜率补偿以后针对这个问题进行迅速、稳定的调整，将氙灯电流稳定在高精度的范围内。

在斩波回路的反馈环节中，采用了基于峰值电流采样的斜率补偿方案。该方案能够保证驱动电源在氙灯非线性的负载条件下能够稳定工作，并能够获得平均电流±1％的电流调控精度。

图4为本发明准预电离及点火电路结构示意图，在图中T1为工频升压变压器；T2为点火变压器；R1、R2为限流电阻，C3、C4为预电离、点火储能电容；V5为整流管；V6为自触发放电管。

工作时，变压器T1输出经V1整流后通过R1向电容器C3进行充电，以及通过R2向C4充电。由于点火动作仅在氙灯启动的时候使用一次，可将该过程设计的较长，为3s时间。这样可将变压器的功率设计的极小，仅为数瓦。

由于准预电离电路的输出电压高于逆变回路的输出电压，因此，逆变回路的输出，包含一只高压，大电流的隔离二极管V4，隔离二极管V4的额定电流大于主驱动电流，隔离二极管的额定电压需大于准预电离电路的最高输出电压。

当时C4上的电压达到V6的击穿放电电压时(注：V6的击穿电压高于BUCK电路的输出电压)，C3中电压已经充到预期值。此时V6击穿放电，并在变压器T2副边感应出足够能量及电压幅度的点火脉冲(15kV以上)。在氙灯负载XL1被击穿后，C3向氙灯放电，并拥有足够的能量在氙灯阻值在一段时间内(数ms)维持在较低的阻抗。此时氙灯负载两端的电压降小于BUCK电路的输出电压。

有了数ms的低阻阶段，并联在氙灯两端的BUCK电路便可向氙灯负载提供驱动电流。氙灯点燃以后，由于限流电阻R1的存在，工频升压变压器T1的输出仍然维持在数瓦的范围内。这个地方不同于常规的预电离电路，需要一定功率的预电离电路(对于大功率5kW以上的氙灯组，至少需要100W以上的预电离电路)对氙灯进行连续预燃。预燃前后工频升压变压器T1始终工作在极低的功率水平。而且通过大量的实际应用表明，该电路功率虽低，但对于大功率连续氙灯能够稳定过渡点燃。因此称之为“准预电离”。

本发明采用过压保护器件取代触发点火的可控硅。由于点火电路的触发开关工作于脉冲大电流条件，而且触发电流通常处于严重的高频振荡状态，因此本发明使用了在防雷领域常用的过压保护器件——气体放电管。该类器件它自身的应用特性决定了其过载能力强，在使用过程中不易损坏。而且到了预定的电压会自动触发，不需要设置额外的触发电路，周边电路简单。

同时由于此类器件被大量广泛应用，成熟度高，成本低廉。用于取带常规点火电路中使用的可控硅非常合适。

本发明的点火电路自动点火及关闭机制。整机加电以后，因为点火电路直接从预电离电路取电，无需控制即可自动进行点火。BUCK开始驱动负载工作以后，即氙灯点燃以后由于BUCK电路的输出电压低于自触发放电管V2的击穿电压，则电路中A点始终低于自触发放电管V2触发电压。这样氙灯点燃以后点火部分电路就会自动停止工作。而氙灯意外熄灭或者重新开机时，这部分电路又会自动开始工作直至氙灯点燃。

实施例一

400V/20A连续氙灯电源

该电源设计为AC 380V供电，电路构成由上述BUCK电路、串联准预电离及点火电路构成。输出驱动负载为三组串联长弧氙灯。其电路具体结构参见图1、图4。

当电路开始工作时，首先由图4中的点火变压器输出一个点火脉冲。该点火脉冲拥有足够高的电压以及足够的能量将三组氙灯同时击穿。当三组氙灯的负载状态发生改变的时候，准预电离电路同时对氙灯的击穿沟道进行迅速捕捉，并靠BUCK主回路的稳定输出电流进行维持。氙灯组中的电流稳定维持以后，串联触发的点火变压器及准预电离电路自动停止工作。此时氙灯组中维持的电流完全由图1所示的BUCK电路进行供电。

该电流维持过程由两个过程组成：

首先控制电路控制主开关V1开通，电流通过电感L2氙灯负载提供电流，此时回路中电流线性上升；

当回路中的电流上升至预定的峰值电流时，控制电路控制主开关V1关断。此时回路中因为主开关V1切断了电网向高频滤波电感L2提供电流的通路，而高频滤波电感L2中的电流又无法突变。因为此时续流二极管V2为电感提供续流通道。此时电感电流进入线性下降阶段。

当电流下降至一定值的时候，控制电路根据设定的电流基准值再次控制主开关V1开通，此时回路电流再次进入线性上升阶段。逆变电路进入以上开关动作的循环，便能够稳定维持氙灯组中的电流。

本发明具有下述特点：

1.逆变回路采用高频斩波开关电路，以高速、低损IGBT作为主开关，铁氧体或者铁粉芯磁芯电感作为储能电感元件。

2.开关回路电路结构简单，仅采用一只高频开关器件(IGBT)。因此整机在整个工作区段内均可获得90％以上的转换效率；

3.在主开关IGBT的反馈电路中，采用了峰值电流检测的斜率补偿技术，以适应氙灯、氪灯等的负载特性大范围变化的非线性负载和开关50％工作比的电流反馈控制的稳定性。在驱动长弧氙灯负载时，电流输出精度可达±1％；

4.充分利用了连续氙灯、氪灯有别于脉冲氙灯点火于负阻区，连续工作于正阻区，且具有的点火电压远大于稳定预燃电压，稳定预燃电压又稍大于稳定工作电压的负载特性，氙灯的点火电路采用了串联触发的结构方式以及相应的准预电离电路，整机电路结构合理，连接至氙灯负载的外围电路简洁明了。避免了使用氙灯外触发丝触发点火形式，大幅度减小了氙灯负载带电的部位。点火成功率高，且使用操作安全、可靠。

5.结合以上单开关的斩波回路、串联触发及准预电离的特点，整机功率密度高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式的限制。凡是依据本发明的技术和方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术和方法方案的范围内。

Claims (6)

1、太阳光模拟器驱动电源，其特征在于该电源采用BUCK电路结构进行高频变换得到匹配负载所需的电源输出，所述BUCK电路与准预电离并联，与点火电路相串联输出到负载。

2、根据权利要求1所述的太阳光模拟器驱动电源，其特征在于所述BUCK电路含有将交流电变为直流电的三相整流桥V3，两只用来压制整流过程中的峰值电流和减少高次谐波产生的工频滤波电感L1、L3，所述工频滤波电感L1与母线电容C1并接在逆变回路主开关V1的集电极，所述主开关V1的发射极与储能电感L2和逆变回路的续流二极管V2联接，所述主开关V1的基极与控制电路联接；所述工频滤波电感L3与母线电容C1、续流二极管V2并接；逆变回路经隔离二极管V4与准预电离及点火电路联接。

3、根据权利要求2所述的太阳光模拟器驱动电源，其特征在于所述逆变回路主开关V1采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。

4、根据权利要求1所述的太阳光模拟器驱动电源，其特征在于所述准预电离及点火电路含有工频升压变压器T1和点火变压器T2，所述工频升压变压器T1输出经整流管V5整流后通过限流电阻R1向预电离储能电容C3进行充电，以及通过限流电阻R2向点火储能电容C4充电；自触发放电管V6连接在点火储能电容C4和负载之间。

5、根据权利要求2或4所述的太阳光模拟器驱动电源，其特征在于所述逆变回路的输出中的隔离二极管V4，其额定电流大于主驱动电流，其额定电压大于准预电离电路的最高输出电压。

6、根据权利要求1-5所述的任一项太阳光模拟器驱动电源，其特征在于逆变回路的反馈环节中，采用基于峰值电流采样的斜率补偿，所述负载为氙灯负载或氪灯负载。

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