CN107888089B - 一种高压直流电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高压直流电源，该高压直流电源包括至少两个级联的升压整流模块，各升压整流模块的输入端用于与交流电网连接，各升压整流模块的输出端用于与负载连接，为负载提供升压后的直流电压，升压整流模块包括工频整流单元、逆变升压单元，工频整流单元用于整流，逆变升压单元用于将整流单元整流后的电压进行逆变升压，最后升压后的直流电压经过高压滤波模块进行滤波，在负载上得到纯净的高压直流电源。本发明将高压直流生成方式替换为多级整流模块级联的形式，减小了升压变比，降低了高压电源纹波，高压滤波模块用于进一步滤除高频波纹，保证了***安全可靠的运行。

Description

一种高压直流电源
技术领域
本发明属于高压直流电源技术领域，特别涉及一种高压直流电源。
背景技术
大功率高压直流电源广泛应用于工业，如高压直流输电、电子束焊机、静电除尘和X光机以及速调管等，还应用于科学研究，如高能物理、受控核变等，早期的高压电源采用线性电源、工频或中频的能量变换技术和基于中频能量变换的脉冲阶梯调制(Pulse StepModulation，PSM)技术，尺寸较大，效率也较低。随着电力电子器件的发展，能量变换可以采用更高的频率。
大功率速调管是基于速度调制原理将电子注能量转化为微波能量的微波真空电子器件。速调管因其高功率高效率等显著特点在深空探测雷达发射机中有着广泛的应用。速调管电源作为发射机中的关键组成部分将直接影响测控距离、通讯质量等关键指标，因此是整个***中的关键设备之一。
高压大功率速调管电源属于高压直流电源，为最大限度地克服远距离传输带来的信号信噪比恶化问题，深空测控***设备对发射机的输出频谱有较高要求，进而对高压电源也有极为苛刻的要求，要求高压电源纹波小于1‰。
为了满足纹波要求，现在行业内多采用线性电源技术或者高变比升压电源，但是随着电压等级及功率的不断增大，线性电源及普通高压升压电源已经难以满足产业在散热、占地面积及纹波方面的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压直流电源，用于解决现有技术中的高压直流电源纹波高、可靠性低的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高压直流电源，包括至少两个级联的升压整流模块，各升压整流模块的输入端用于与交流电网连接，各升压整流模块的输出端用于与负载连接，为所述负载提供升压后的直流电压。
进一步地，所述升压整流模块包括工频整流单元、逆变升压单元、高压投切单元，所述工频整流单元用于整流，所述逆变升压单元用于将所述整流单元整流后的电压进行逆变升压，所述高压投切单元用于控制本级升压整流模块的投切。
进一步地，所述工频整流单元包括全桥整流子单元和LC滤波子单元，所述全桥整流子单元的输出端连接所述LC滤波子单元。
进一步地，所述逆变升压单元包括LC串联谐振和升压变压器，所述升压变压器的原边连接所述LC串联谐振。
进一步地，所述升压整流模块还包括高压投切单元，所述高压投切单元包括固态开关和续流支路，所述高压投切单元通过所述固态开关控制本级升压整流模块的投切，所述续流支路用于为本级升压整流模块续流。
进一步地，所述升压整流模块还包括输入滤波单元和输出滤波单元。
进一步地，还包括用于滤波的高压滤波模块，级联后的升压整流模块通过所述高压滤波模块用于与负载连接。
进一步地，还包括直流控制模块，所述直流控制模块控制连接所述升压整流模块与所述高压滤波模块。
进一步地，所述高压滤波模块包括泄能单元，所述泄能单元用于高压直流电源***故障时将高压直流电源***中的能量消耗。
进一步地，所述高压滤波模块还包括保护单元，所述保护单元用于在电源切断时启动将所述负载中的能量消耗。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高压直流电源，该高压直流电源包括至少两个级联的升压整流模块，各升压整流模块的输入端用于与交流电网连接，各升压整流模块的输出端用于与负载连接，为负载提供升压后的直流电压。本发明的高压直流电源采用低压级联的方式，减小了升压变化，降低了高压直流电源的纹波，保证了***安全可靠的运行。
本发明的高压直流电源还包括高压滤波模块，用于进一步滤除高频波纹，得到纹波较低的高电压，确保***的安全、精准、可靠。
附图说明
图1为本发明的高压直流电源原理框图；
图2为本发明的升压整流模块的原理框图；
图3为本发明的高压滤波模块原理框图；
图4为本发明的高压滤波模块的工作原理示意图；
图5为本发明的直流控制模块的原理框图；
图6为本发明的直流控制模块人机界面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明的一种高压直流电源的实施例：
一种高压直流电源，如图1所示，包括至少两个升压整流模块，本实施例以4-10个升压整流模块为例，各升压整流模块之间级联，各升压模块的输入端与交流电网连接，各升压整流模块的输出端与速调管负载连接，将高压生成方式变换为多级低压模块级联的形式，减小了升压变化，降低了高压电源的纹波。
以一个具体的例子来说明，若交流电网输出10KV的电压，而速调管负载需要的是100KV的高压，如果直接对交流电网的输出电压升压，则需要10倍的变比，才能得到100KV的高压，此时，变比比较大，得到的高压不纯净、波纹比较高。采用本发明的方式，通过多个低压升压整流模块级联，比如采用5个升压整流模块，只需将各升压整流模块升压到20KV，再将5个升压整流模块的升压相加即可得到100KV的高压，这种方法，升压变比小，得到的高压波纹小，当然也比较纯净，适用于速调管负载的需求，可靠性高。
本高压直流电源还包括直流控制模块，直流控制模块控制连接所有的升压整流模块，远程后台通过通讯光纤与直流控制模块连接，也可由控制模块的的人机界面直接进行本地控制，如图6所示，然后由控制模块控制各升压整流模块充电运行，并控制其内部输出开关，得到串联的高电压，加载到速调管负载上。
升压整流模块是整个高压直流电源***的功率执行核心，该模块采用电力电子变换技术、软开关技术、PFM控制技术、多维滤波技术、高压固态开关技术等，把交流电变换为高精度低纹波的直流电，如图2所示，包括输入滤波单元、工频整流单元、逆变升压单元、高压投切单元、输出滤波单元。该工频整流滤波单元对交流电压进行整流滤波，工频整流单元采用三相全桥六脉波整流技术，实现交直流变换，配备无源功率因数校正电路，用于提高电源功率因数，所述工频整流单元末端含有电容堆，该部分用于进行储能滤波。
逆变升压单元用于对整流后的电压进行逆变升压，包括全桥整流子单元、LC串联谐振、升压逆变器及高压整流滤波子单元。采用全桥谐振软开关拓扑，谐振模式采用LC串联谐振，采用全负载范围ZCS的软开关技术，同时，该逆变升压单元的高压整流滤波子单元采用高压硅堆全桥，该部分与升压变压器进行一体化设计，并采用高压薄膜电容进行滤波，最终输出高压直流。
高压投切单元包括固态开关和续流支路，固态开关包括多级串并联的IGBT，用于根据***需求进行本级升压整流模块的投切，续流支路包括多级串并联的高压硅堆，用于在本级升压整流模块投切动作时，使整个电源级联***做到无缝续流，保证***的正常运行。
输入滤波单元和输出滤波单元为高阶低通滤波器，有效滤除高频干扰，实现降低输出纹波的功能。
直流控制模块由西门子PLC可编程控制器(包括主控PLC226、EM222、EM223、EM277等)构成，如图5所示，该模块是整个电源***的控制核心，可控制升压整流模块的错相充电，挂网投切，将充电策略改为错相互补充电方式，进一步从***角度上降低电源纹波，还可以实现对各个关键点的检测、相应功能单元和人机界面的控制，全***故障保护、对上位机的“4遥”功能，其具体实现以下功能：
1)控制功能：通过主控PLC组件及装置内部板卡，来共同完成控制升压整流模块的开关机及投切、滤波模块的运行等；
2)状态显示功能：如图6所示：通过本地人际界面(通过EM277同主控PLC组件相连)显示高压直流电源的工作状态、输出电压及电流及各种故障(包括：交流输入故障、电源输出过压、电源输出过流等)。
3)输出调节功能：通过主控PLC组件及装置内部板卡，共同完成调节高压直流电源的输出功能。
4)故障保护功能：通过主控PLC组件及装置内部板卡，为电源***提供故障保护，在采样到故障信息后及时进行故障处理。
5)通讯功能：同远程后台间采用光纤通讯方式(通过ADAM4541同主控PLC组件相连)实现“四遥”功能。
本发明的高压直流电源还包括一个高压滤波模块，该高压滤波模块位于电源输出末端，进一步降低输出高压电源的纹波，得到较纯净的高压电源，该高压滤波模块包括滤波单元、采样单元、泄能单元和保护单元，具体的如图3和图4所示，其中，滤波单元为高压低通滤波器，有效滤除高频干扰，降低输出的纹波；采样单元通过高精度采集网络采集***的电压、电流。
其中，泄能单元的结构如图4所示，泄放单元包括泄放电阻R1和泄放开关K1，泄放开关K1和泄放电阻R1串联，当处于正常运行状态时，泄放开关断开，泄放回路不工作；当处于停机或故障状态时，泄放开关闭合，泄放回路接入高压回路，用于泄放***储能。
当***发生紧急故障需切断电源时，保护单元的高压放电管闭合，用于快速泄放速调管负载中的能量及回路中的杂散电容储能。
本发明的高压直流电源在工作时，首先由直流控制模块控制多个内置固态开关控制升压整流模块带电运行，然后通过控制其内部固态开关的通断，获取串联高压直流，最后该高压直流经过高压滤波器进行滤波，在速调管负载上得到纯净的高压直流电源。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高压直流电源，其特征在于，包括至少两个级联的升压整流模块，各升压整流模块的输入端用于与交流电网连接，各升压整流模块的输出端串联后用于与负载连接，为所述负载提供升压后的直流电压；所述升压整流模块包括工频整流单元、逆变升压单元、高压投切单元，所述工频整流单元用于整流，所述逆变升压单元用于将所述整流单元整流后的电压进行逆变升压，所述高压投切单元用于控制本级升压整流模块的投切；所述高压投切单元包括固态开关和续流支路，所述高压投切单元通过所述固态开关控制本级升压整流模块的投切，所述续流支路用于为本级升压整流模块续流；所述升压整流模块还包括输入滤波单元和输出滤波单元；
还包括用于滤波的高压滤波模块，级联后的升压整流模块通过所述高压滤波模块用于与负载连接；所述高压滤波模块还包括泄能单元和保护单元，所述泄能单元用于停机或高压直流电源***故障时将高压直流电源***中的能量消耗，所述保护单元用于在发生紧急故障需切断电源时启动将所述负载中的能量消耗。
2.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述工频整流单元包括全桥整流子单元和LC滤波子单元，所述全桥整流子单元的输出端连接所述LC滤波子单元。
3.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述逆变升压单元包括LC串联谐振和升压变压器，所述升压变压器的原边连接所述LC串联谐振。
4.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，还包括直流控制模块，所述直流控制模块控制连接所述升压整流模块与所述高压滤波模块。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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