基于MOSFET的大功率快速放大器技术研究

方案

基于MOSFET的大功率放大器主要由MOSFET器件构成的逆变器电源模块和放大模块构成，其工作原理如图2所示。整体结构采用模块化分布方式设计，电源模块和放大器模块分开，其连接通过电缆分别连接，这样便于拆装移动。电源模块为单相放大模块提供100kW的供电电源，其采用MOSFET管作为整个供电电源开关驱动电路。放大器部分将采用两个功率放大器模块进行并联输出，其中一个功率模块提供输出的基波电流和谐波电流，并采用开关放大器的原理进行设计，减小设备的体积和重量，将此模块设为模块1：另一个模块提供暂态电流，将采用线性放大器的原理进行设计，将此模块設为模块2。模块1和模块2由主控模块控制同步输出，通过高速电流传感器输出不低于2000A的大电流。

基于MOSFET的大功率快速放大器的整个工作流程为：100kW主变电源模块将380V的交流电转为放大器模块使用的直流电，通过电缆传输给放大器模块，从而驱动整个放大电路正常工作。主控模块通过光纤一方面传输同步控制信号实现各相功率放大器同步输出，另一方面传输数字输出信号控制各相功率放大器各相输出电流的幅值、相位和频率等。功率放大器的高速DA模块将主控模块的数字信号转为放大模块能够使用的模拟信号，通过功率模块1和功率模块2及其对应的高速电流传感器实现大电流的稳态输出和暂态控制，两个功率模块在输出端通过电缆并联，实现大电流同步输出。

4基于MOSFET的大功率放大器构成

4.1电源模块

目前功率放大器的电源模块通常采用双极型开关管的逆变器电路，基极驱动电流基本上为开关电流的1/B，因此要实现大电流开关电路必须采用多级放大，这样不仅使电路复杂化，可靠性也变差，而且随着输出功率的增大，开关管驱动电流需大于集电极电流的l/B，致使普通驱动IC无法直接驱动。虽说采用多级放大可以达到目的，但是波形失真却明显增大，从而导致开关管的导通/截止损耗也增大，而多采用MOSFET管作开关器件能很好地解决这个问题。MOSFET管漏一源极间导通电阻，具有电阻的均流特性，并联应用时不必外加均流电阻，漏源极直接并联应用即可。同时，MOSFET管是由电压进行控制，控制方式方便，且其具有输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低，体积小等优点。

电源的处理技术对整个设备的重量影Ⅱ向非常大，普通的工频变压器100kW功率等级的重量在300-500kg，如果我們采用工频变压进行降压隔离处理，那么电源部份就非常重，并且功率因数也较低，所以这种方式并不适用于现场的搬运和测试。因此，我们采用开发5-10kW的电源模块，多个电源模块进行并联使用的方法。考虑到设备并非工作在长时间连续的状态下，分布设计可以分散电源热量。同时，不必采用很大功率的器件，可减轻电源重量，提高电源的稳定性。另外功率小的电源开关频率可以做得相对较高，越大功率等级的电源开关频率越低。所以采用多个模块并联的工作方式将会大减小电源部份的重量。

4.2放大器模块

设定设备的带载能力50V，带载的峰值电压应该为50x1.414=70.7V，最大电流2000A，最大的峰值电流为2000x1.414=2828A，电流的上升时间最大为500us，我们可以推算出输出负载的最大电感量L=（70.7x500x10）/2828，L=12.5uH，所以设备输出的电感负载必须<12.5uH。输出负载的直流阻抗是根据输出线路的长短和截面面积决定的，为了减小重量，输出线路我们预设为lm，来回则为2m，纯铜线的电阻率为1.75x10m，输出线路采用200mm2，输出线路的直流阻抗R=1.75x10x5000x2=1.75x10，2000A的电流在直流阻抗上形成的电压Ul=2000Ax1.75x10=0.35V：50Hz的交流电，2000A基波电流在最大感性负载上形成的电压U2=2000x2x3.14x50x12.5x10=7.85V。

所以基波2000A输出时需要的最大负载电压V=（0.352+7.852）112，U=7.858V：2000A基波带载能力应该>10V，为保证模块l的开关工作在大于80%的占空比，模块l的输出滤波电感可以确定为输出负载感抗的4倍左右，L=50uH。假定基波为0A时，IKHz谐波频率输出时的最大谐波电流应为I<100A；模块l的最小连续电流>6A，占空比为50%，开关频率暂设为100KHz。

因此，放大器模块l的主功率拓扑参数可以确定。采用全桥开关放大器，开关频率为100KHz，电源电压为80V，输出滤波电感为50uH。模块从0A到输出峰值的上升时间为t=（2828x62.5x10）/（80x0.9）=2.45ms。放大器模块2的主功率拓扑参数为也可以基本确定：采用全桥线性放大器，电源电压80V，0A到输出峰值电流的上时间为450us，模块2的输出时间t=2.45ms。模块l和模块2是并联工作的，输入的信号为相同的模拟信号，模块2提供初始阶段的暂态信号，当暂态信号输出完成，模块二停止，模块接续模块的输出，进行连续输出。

5结论

基于MOSFET的大功率放大器技术能够实现大电流的输出，可以暂态控制电流变化，电流输出Ⅱ向应时间快，精度高，不仅能够完成变电站通流试验，还能在互感器一次侧模拟各种短路故障，实现变电站二次系统整体测试。同时，采用分布式设计理念，电源供电模块与放大器模块分开设计，减少整体体积和重量，便于拆装移动，极大方便变电站现场调试检修服务。基于MOSFET的大功率放大器技术真正实现了变电站一次系统故障真实模拟，对变电站现场调试检修、电力科学院及高校和科研机构的电力研究有据大的帮助和指导意义。