新型电声电型隔离电源：适用于电磁环境复杂的各种门极驱动场合
大连理工大学电气工程学院的研究人员吴茂鹏、陈希有、齐琛、牟宪民，在2020年第4期《电工技术学报》上撰文，基于超声波式非接触电能传输技术，提出电声电型非电气接触式全桥模块门极隔离电源，它主要包括发射换能器、接收换能器、亚克力棒传输介质和补偿电路。实验表明，所设计的隔离电源可以有效地为门极驱动电路供电，使全桥模块正常工作，与磁感应式门极驱动电源相比，具有抗电磁干扰强的特点，适用于电磁环境复杂的各种门极驱动场合。
近年来，在高压大功率变换中，多电平换流器技术尤其是模块化多电平换流器技术发展迅速。模块化多电平换流器由多个全桥模块组成，不仅可以显著降低开关应力，而且可以降低输出电压的谐波含有率。但是，对于多电平换流器来说，由于所有的门极驱动电路都由同一电源供电，加在开关器件上的电压最高可达母线电压，故为每个全桥模块门极驱动电路供电的电源与驱动电路之间要有很强的隔离和绝缘。
通常，主要采用干式绕线型变压器为全桥模块门极驱动和驱动电源提供隔离和绝缘。这种方式的不足之处在于变压器中有磁心，因此会受周围电磁环境的影响。一些学者采用无磁心高频磁感应式非接触电能传输技术（Inductively Contactless Power Transfer, ICPT）设计了门极驱动电路隔离电源。在ICPT技术中，电能从发射线圈传递到接收线圈，整流滤波后给门极驱动电路供电。发射线圈和接收线圈之间是空气，因此在避免使用磁心的同时保障了隔离和绝缘。
在有学者提出的采用ICPT技术的驱动电路隔离电源中，发射线圈和接收线圈的距离为25mm。根据国际电工委员会（International Electro technical Commission, IEC）的标准，25mm的空气间隙绝缘强度可达7.6kV。有学者采用更大距离的发射线圈和接收线圈来保证更高强度的隔离和绝缘。在有学者的研究中，一个发射线圈正对6个接收线圈，做到了采用ICPT技术同时为6个不同全桥模块的驱动电路供电。但是，ICPT技术主要依靠电磁场传输能量，在模块化多电平换流器中，存在大量开关器件和电气元件，电磁环境十分复杂，这会影响使用ICPT技术为门极驱动电路进行供电的电磁安全性。
超声波式非接触电能传输技术（Ultrasonic Contactless Power Transfer, UCPT）又称电声电型非电气接触电能传输技术，是一种新兴的非接触电能传输技术。UCPT系统的基本组成如图1所示，在发射侧，发射换能器将高频电源发出的电能经补偿后转换为超声波能量；在接收侧，接收换能器将从介质传递过来的超声波能量重新转换为电能并经能量转换电路转换后给负载使用。此处所讲的“非接触”不是指没有任何物理接触，而是指“非电气接触”。
UCPT技术主要依靠超声波来进行能量传输。超声波是一种机械波而不是电磁波，不会受到周围电磁环境的影响；超声波的频率远超周围环境的振动频率，不会受到周围机械振动的影响。多电平换流器的各全桥模块电磁环境十分复杂，而UCPT技术可以在保证绝缘和隔离强度的前提下为驱动电路安全可靠地提供所需电能。
图1 UCPT系统基本组成
基于超声波式非接触电能传输技术，大连理工大学电气工程学院的研究人员针对电声电型非电气接触式全桥模块门极隔离电源（以下简称“电声电型隔离电源”）进行了研究。
图2 电声电型隔离电源结构
首先对电声电型隔离电源的整体结构和工作原理进行介绍，接下来分别介绍每一部分的选择方案和理由。介绍了郎之万型换能器的等效电路，采用COMSOL软件进行仿真并观察谐振频率下的换能器工作状态，给出压电换能器的最简等效电路。为了使UCPT系统的输入电压降低和输出电压稳定，分别在发射侧和接收侧设计补偿电路，进行详细的分析并搭建实验平台对所提出的补偿方案进行验证。对UCPT技术与ICPT技术进行了抗电磁干扰能力的对比。
图3 实验平台
图4 全桥模块实物
理论分析和实验结果表明：
1）郎之万型压电换能器和亚克力棒传输介质可以在保证隔离和绝缘的情况下，有效地将能量从发射侧传递到接收侧。
2）发射侧补偿电路可以补偿电源的无功功率，且能在保证接收侧输出电压不变的情况下降低输入电压。
3）接收侧补偿电路可以维持输出电压稳定。
4）UCPT技术比ICPT技术有更强的抗电磁干扰能力。
5）所设计的电声电型隔离电源可以有效为门极驱动电路供电，是一种良好的传统变压器替代方案，适用于电磁环境复杂的各种门极驱动场合。