摘要：传统的配电终端电源系统由主电源模块和后备电源模块组成。主电源模块普遍采用基于硅基功率器件的开关电源，功率开关器件损耗较大，温升明显。后备电源采用电池组或者大电容组，面临寿命短、功率密度低、受温度影响的放电性能和受限制的充放电电流等问题。为了解决这个问题，提出一种基于氮化镓功率器件和超级电容的台区融合终端电源系统，设计了包括主、后备电源的整体电路架构。在主电源侧，提出了适用于配电台区场景，基于氮化镓功率器件的功率开关管的额定电压电流的选型方法，基于Ｃａｓｃｏｄｅ级联型氮化镓功率器件的驱动电路设计方法；在后备电源侧，提出了后备电源工作电压、容量设计方法。最后，开发出一款基于上述关键技术的电源系统，并采用电能质量测试仪和数字录波器搭建试验环境，对电源系统进行输出稳定性、能效、主后备电源模块切换特性进行试验。试验结果表明，所设计的电源系统在异常工况下，仍具有电压稳定输出和高转换效率特性，有一定工程实用性。

　　关键词：氮化镓；功率器件；融合终端；配电台区；电源

　　０引言

　　传统配电终端一般在户外运行，其供电电源中的主电源模块普遍采用硅基材料的功率器件，其内阻、寄生电荷较大，引起开关器件较大的损耗和明显的温升问题。后备电源在主电源失压情况下迅速投入使用，常使用电池组或大电容，但存在一些问题，包括寿命短、功率密度较低、放电性能受环境温度影响，以及充放电功率较小等问题。在对节能、长寿命、可靠性要求较高且环境恶劣的应用场合［１－２］，整个电源系统性能受到了较大的影响。近年来，基于第三代半导体氮化镓功率器件作为一种新型的功率开关管，其具有低内阻、低寄生电荷、高频特性等特点，在消费电子快充领域兴起，但在电力工业开关电源中应用尚待验证。同时，超级电容器(SC,Super-Capacitor)也逐渐应用于电源中，其具有功率密度高、存储能量大、充放电速率快、超低温特性好等诸多优点[3-4],近年来逐渐应用于电力系统中[5-7]。

　　电网数字化转型的背景下，配电台区依托台区融合终端数字化方案的提出和实施，其计量、通信、算力能力要求增加，导致台区融合终端的电源功耗、可靠性等提出了新的要求。根据国家电网发布的《台区智能融合终端系列技术规范（试行）》要求[8],本文将提出一种基于氮化镓功率器件的主电源模块和基于超级电容器的后备电源模块组成的台区融合终端电源系统技术，应用于台区智能融合终端，从而提高台区智能融合终端的供电能效、稳定性和可靠性。

　　1电源系统组成和原理

　　根据《台区智能融合终端系列技术规范2022（试行）》要求，台区融合终端主电源采用交流三相四线供电，在断相故障下，电源模块依然能够正常工作。终端供电电源技术要求应满足：额定电压：交流三相3×220 V/380 V;抗接地故障及相对地产生1.1倍过电压的。终端满配所有功能模块进入稳态后（充电1h后），终端三相消耗的视在功率应不大于25 VA[8]。板级芯片的工作电源为5V或3.3 V,因此还需要板级的DC-DC电源模块将电源系统输出电压变换为芯片所需的5V或3.3 V的工作电压[9]。

　　终端后备电源应采用超级电容并集成于终端内部，具体要求如下：(1)终端后备电源采用超级电容方式，终端供电顺序依次为主电源、超级电容；(2)终端后备电源充电的时间应不大于1h;(3)终端主供电源供电不足或消失后，后备电源应自动无缝投入并维持终端及功能模块正常工作的能力；(4)后备电源工作时，主电源恢复，终端应正常工作；(5)终端超级电容集成于终端内部，免维护时间不少于8a,超级电容故障应不影响主供电源[8]。根据以上要求，本文的电源系统主要由主电源和后备电源组成，汇聚于直流母线。如图1所示。主电源主要由EMI滤波整流电路、反激变换电路、输出滤波电路，具备输入电压宽泛性能。主电源工作原理为，三相四线交流输入经AC-DC整流电路和输入EMI滤波电路，滤波后的直流电流是“馒头波”，通过控制器发出的脉冲宽度调制触发信号，经过反激变换电路转换，输出满足需求的直流电压，原边电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。输出电压可以通过变压器的匝数比进行灵活调整，并且可以通过增加次级绕组和电路可以同时得到多个输出。再经滤波输出电路滤除纹波噪声后输出满足要求的电压。其输出电压满足：

　　　　式中：D为占空比；NP和NS分别为原、副边侧线圈匝数。后备电源由超级电容(SC)、超级电容充放电管理电路组成。超级电容由超容管理模块进行管理充放电，检测主电源的输出状态，在正常工作状态下，双向可控开关正向导通，主电源模块通过直流母线为储能电容恒流限压充电时。充电达到设定的电压阈值后，SC进入浮充状态。当直流母线电压暂降时，超容管理模块将检测到低压信号，并通过控制双向可控开关的反向导通，将SC置于放电状态，以稳定地向直流母线提供输出电压，以确保台区融合终端的连续供电。而在交流电失电情况下，为了最大限度地利用SC的能量，应该尽可能降低最低工作电压的限制，以扩大SC的电压范围。接下来，将深入讨论SC最低电压的确定以及容量的计算问题。

　　2主电源模块关键设计

　　功率开关器件的关态耐压、额定电流、驱动关系到主电源系统的安全稳定运行，本文针对功率开关器件关键参数和驱动关键技术进行设计。

　　(1)功率开关器件的设计

　　采用单管反激拓扑结构，开关管栅极受驱动工作，当开关管关断时，同一桥臂的二极管导通，开关管漏源极被钳位到输入电压V in(max),所以开关管的最小击穿电压V BR应大于最大输入电压，即：

　　VBR≥Vi(max)(2)

　　Vi(max)应考虑电压波动，当输入电压为V in时，器件耐压满足以下条件：

　　Vi(max)=、2×Vin(max)+VNS+VLr(3)

　　式中：Vi(max)为输入电压最大有效值；V NS为次级侧电压反馈到初级侧的电压；VLr为漏感尖峰。

　　装置发生接地故障时，为保证电源正常工作，器件耐压满足以下条件：

　　Vi(max)=1.9×、2×Vine+VNS+VLr(4)

　　式中：1.9为接地故障电压抬升系数；V ine为额定输入电压。Vi(max)取式(3)、(4)中的较大者。

　　而最大漏极电流IDM应大于流过开关管的1.2倍额定电流：

　　式中：Po为输出电压；η为转换效率；D max为最大占空比。

　　(2)功率开关管驱动设计

　　在理想情况下，硅基功率器件应用都可以采用氮化镓进行替代，但由于氮化镓(GaN)功率器件具有高开关速度、低栅极击穿电压及高反向续流损耗等特点，传统驱动芯片无法直接控制氮化镓功率器件[10-12]。所以，在采用GaN HEMT（晶体管）进行电源设计时容易“炸管子”。GaN HEMT驱动主要存在2个难题：驱动电压低，容易误启动；栅极耐电压低，栅极容易损耗，因此需要专门的驱动器，不仅增加了设计复杂度，也额外增加了系统成本。因此，采用基于Cascode型的氮化镓功率器件，利用低压硅MOS来控制GaN HEMT,从而适配市面上大多的驱动芯片[13-16]。如图2所示。

       功率开关管一般都是慢开快关。需要在驱动电路设计一个满足关断瞬间泄放能量的低阻抗的通道，以保证功率开关管能快速关断，从而降低功率器件在关断时的损耗[17]。如图3所示。

　　3后备电源模块关键设计

　　3.1超级电容的工作电压确定

　　超级电容器(SC)的电能放电时，随着放电供能，超级电容器的输出电压将会下降，此时需要在超级电容器和直流母线之间设计一个DC-DC升压转换器，以稳定电压输出。因此，需要确定超级电容器的最小工作电压。根据电容存储的能量公示W=0.5 CU2,假设放电前，SC的初始电压为UM,最小有效工作电压为Umin,最小有效工作电压对应的能量为WS（称为“余能量”）[18]与其初始能量WM之比，即余能量占初始能量的比例ξ为：

　　根据式(6)可得，比率ξ与电容电压关系如图4所示。

　　可见，WS与Umin非一次线性关系。当Umin下降到一定程度后，ξ变得比较平缓，即余能量变化平缓。一般可取Umin=0.5 UM,此时，超级电容的储能利用率已达75%。

　　3.2超级电容的容量设计

　　在后备电源模块中，主电源模块失电后SC需要提供的功率为PO,即输出电压UO和电流IO的乘积，DC-DC升压变换器的转换效率为ηsc,需要维持的时间为TW,

　　则失电后，SC应提供的能量为：

　　W1=PO TW/ηsc=UO IO TW/ηsc(7)

　　由于受到余能量比例的限制，SC放电可提供的能量应由初始电压UM和最小工作电压Umin决定，即SC可提供的能量为：

　　W2=0.5 CSC(U-U)(8)

　　根据能量守恒，应有W1=W2,则由式(7)、(8)

　　可得：

　　CSC=2UO IO TW/(ηsc(U-U))(9)

　　因此，可根据式(9)选取SC的容量CSC。
      4开发和试验分析

　　4.1电路开发制作

　　良好的原理设计是电源模块成功制作和稳定运行的基础，而印制电路板(PCB)设计和元器件布局则至关重要。在本电源系统的PCB布局过程中，遵循强弱电分离原则进行布局设

　　计[19]。设计的实物如图5所示。

左边是基于超级电容器的后备电源布局，右边是基于氮化镓功率器件的主电源布局。
      4.2试验分析

　　(1)负载变化时的电源输出响应

　　为验证负载变化时电源输出稳定度，进行负载调整率试验。模拟工况为：在380 V交流额定输入电压条件下，输出电流由最小负载0A增大至额定负载5A,记录输出电压及输出负载电流，负载调整率[20]为：R负载调整率=(UX1-UO)/UO×100%(10)式中：UO为额定输入电压下、额定输出负载时测得的输出电压；UX1为额定输入电压条件下，负载在额定输出范围内变化时记录的电压偏离UO的最大值。测试结果如图6所示。

输出电压范围为[5.242 2 V,5.243 5 V],计算负载调整率为0.02%,满足输出电压范围[5.225 0 V,5.255 0 V]和负载调整率小于或等于1%的技术指标要求。

　　(2)输入电压变化时的电源输出响应

　　为验证输入电压变化时电源输出响应，进行电压调整率试验，模拟工况为：在持续额定5 A电流输出下，输入电压在输入电压规格范围交流[80 V,500 V]时，记录输入电压、输出电压及输出负载电流数据，电压调整率依然可用(UX2-UO)/UO×100%表示。此时UX2为额定输出负载条件下，输入电压在规格范围内变化时记录的电压偏离UO的最大值。如图7所示，输出电压范围为[5.242 8 V,5.246 3 V],计算电压调整率为0.05%;满足输出电压范围[5.225 0 V,5.255 0 V]和电压调整率小于或等于1%的技术指标要求。

　　(3)电源工作效率

　　图8为电源从交流80 V到500 V的工作效率图，全电压输入范围内，最高工作效率为84.07%,在额定输入输出条件下电源工作效率为83.27%,满足额定输入输出条件下工作效率大于78%[8]技术指标要求。

       (4)主备电源切换
       台区智能融合终端在实际工作过程中，由于输入电压暂降、中端、停电等原因导致主电源供电电压掉电，需由后备电源接管进行供电，在供电恢复后，由主电源重新进行供电及备用电源充电工作，图9~10为主备电源相互切换时终端用电端供电电压波形，在主电源切换至备用电源和备用电源切换至主电源过程中，输出电压平稳，无超调、无过冲，满足主备电源切换供电电压要求。

      5结束语
      台区智能融合终端要求电源系统输入电压宽泛、可靠供电、功率密度大、温升低。本文研究了一种基于氮化镓功率器件和超级电容的台区融合终端电源系统设计。

　　设计了电源系统的构成、原理，分别介绍了了电源系统主、后备电源模块的关键设计；开发实际电源系统，并搭建实际试验场景，测试了电源系统的输出调整率、转换效率、主后备切换特性等性能。测试结果表明，所设计的台区融合终端电源系统输出稳定可靠、转换效率较高，具有工程实用性。

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