CN109194104B - 一种线性高稳定直流滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性高稳定直流滤波电路，该电路包括IGBT开关K1、K2、直流可调电源、电容Cbuck、电容Cbuck充电电源、IGBT开关组SD、IGBT开关Sk以及开关SW；所述直流可调电源设有两个输出端口，分别为第一输出端口AFPS1和第二输出端口AFPS2，且第一输出端口AFPS1的“－”极与第二输出端口AFPS2的“－”极连接；所述IGBT开关K1和IGBT开关K2的G极连接IGBT开关控制器，所述IGBT开关组SD中的各个IGBT开关的E极和C极顺次连接，且IGBT开关组SD中各个IGBT开关的G极、IGBT开关Sk的G极以及电容Cbuck充电电源的控制信号输入端分别连接电容Cbuck两端电压控制器的信号输出端。本发明可以对大功率交/直流转换电源电路中的50Hz、100Hz等整流输出低频谐波电压进行很好地抑制。

Description

一种线性高稳定直流滤波电路

技术领域

本发明属于大功率电源滤波器件领域，具体是一种线性高稳定直流滤波电路。

背景技术

现有技术中，大功率交/直流转换电源采用无源的LC滤波电路进行滤波，但是，由于LC滤波电路对低频纹波的抑制较困难，因此，因触发电路脉冲不均匀、电网三相电压不平衡产生的50Hz、100Hz等整流输出低频谐波电压无法得到很好抑制。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种线性高稳定直流滤波电路，采用该电路可以对大功率交/直流转换电源电路中的50Hz、100Hz等整流输出低频谐波电压进行很好地抑制。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种线性高稳定直流滤波电路，该电路包括IGBT开关K1、IGBT开关K2、直流可调电源、电容Cbuck、电容Cbuck充电电源、IGBT开关组SD、IGBT开关Sk以及开关SW；

所述直流可调电源设有两个输出端口，分别为第一输出端口AFPS1和第二输出端口AFPS2，且第一输出端口AFPS1的“－”极与第二输出端口AFPS2的“－”极连接；

所述IGBT开关K1的E极连接IGBT开关K2的C极，且作为本有源滤波电路的“+”极；IGBT开关K1的C极连接第一输出端口AFPS1的“+”极，IGBT开关K2的E极连接第一输出端口AFPS1的“－”极；所述IGBT开关K1和IGBT开关K2的G极连接IGBT开关控制器，IGBT开关控制器控制IGBT开关K1和IGBT开关K2工作于"线性放大区"；

所述电容Cbuck的两极分别连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”、“－”极；所述IGBT开关Sk的C极连接第二输出端口AFPS2的“+”极，IGBT开关Sk的E极连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极；所述开关SW连接在电容Cbuck充电电源输出端的“+”极和第一输出端口AFPS1的“－”极之间；

所述IGBT开关组SD中的各个IGBT开关的E极和C极顺次连接，其中，第一个IGBT开关的C极连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”极，最后一个IGBT开关的E极连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极，且各个IGBT开关的E极和C极之间均连接有放电电阻；

所述IGBT开关组SD中各个IGBT开关的G极、IGBT开关Sk的G极以及电容Cbuck充电电源的控制信号输入端分别连接电容Cbuck两端电压控制器的信号输出端，所述电容Cbuck两端电压控制器信号输出端接收电压信号，所述电压信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容两端的电压V₀信号、电容Cbuck两端的电压VCbuck信号。

进一步的，所述IGBT开关控制器的信号输出端连接IGBT开关K1和IGBT开关K2的G极，信号输入端接收外部电流信号，所述电流信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容电流I_f信号、本线性高稳定直流滤波电路的输入电流I_af信号、水冷磁体电流实际值I_M与设定值I_ref的误差电流I_err信号。

进一步的，所述IGBT开关组SD包括六个IGBT开关，分别记为IGBT开关S₀～S₅，其中IGBT开关S₅的C极连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”极，IGBT开关S₀连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极。

进一步的，各个IGBT开关的G极均连接有IGBT驱动器。

进一步的，所述IGBT开关控制器和电容Cbuck两端电压控制器可均采用PLC控制器。

进一步的，所述电容Cbuck两端电压控制器对电容Cbuck两端电压VC_buck的控制方法如下：

通过控制对电容Cbuck进行充放电，使IGBT开关K2的C级与E极间电压V_o-VC_buck瞬时值满足：

3V≤V_o-VC_buck≤17V

(1)电容C_buck的快速放电的控制：

当V_o-VC_buck＜3时，对电容C_buck的快速放电是通过导通IGBT开关S₀或IGBT开关S_K实现的，VC_buck的平均值

时，导通IGBT开关S_K，

为其它值时，导通IGBT开关S₀，

作为VC_buck的低通滤波值，导通IGBT开关S₀的C_buck放电电阻值R_F由以下公式计算：

通过采样

输出值，来控制IGBT开关S₁～S₅通/断，这是随

值随时确定；IGBT开关S₁～S₅工作状态由

取整求反的二进制计算确定；

(2)电容C_buck的快速充电的控制：

当V_o-VC_buck＞17V时，立即启动电容Cbuck充电电源为电容C_buck快速充电，电容Cbuck充电电源工作在最大电流输出模式；

(3)稳定

的控制：

作为V_o-VC_buck的低通滤波值，由

的正偏离值决定电容Cbuck充电电源为电容C_buck慢充电电流的大小，最大慢充电电流为5A。

本发明的有益效果是：该电路可以对大功率交/直流转换电源电路中的50Hz、100Hz等整流输出低频谐波电压进行很好地抑制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本一种线性高稳定直流滤波电路及其应用示意图；

图中，电阻的单位为Ω。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种线性高稳定直流滤波电路，包括IGBT开关K1、IGBT开关K2、IGBT开关K1和K2的控制器、直流可调电源、电容Cbuck、电容Cbuck充电电源、电容Cbuck两端电压控制器、IGBT开关组SD、IGBT开关Sk以及开关SW。

所述直流可调电源有两个输出端口，分别为第一输出端口AFPS1和第二输出端口AFPS2，且AFPS1的“－”极与AFPS2的“－”极连接。

主电路为：

所述K1的E极连接K2的C极，且作为本线性高稳定直流滤波电路的“+”极；K1的C极连接AFPS1的“+”极，K2的E极连接AFPS1的“－”极；K1和K2的控制器的控制输出端分别连接K1和K2的G极，控制K1和K2工作在线性放大区；K1和K2的控制器接收外部电流信号，这些电流信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容电流I_f信号、本有源滤波电路的输入电流I_af信号、水冷磁体电流实际值I_M与设定值I_ref的误差电流I_err信号。

所述电容Cbuck的两极分别连接Cbuck的充电电源输出端的“+”、“－”极；所述SD的中的各个IGBT开关的E极和C极顺次连接，其中，第一个IGBT开关的C极连接Cbuck的充电电源输出端的“+”极，最后一个IGBT开关的E极连接Cbuck的充电电源输出端的“－”极；各个IGBT开关的E极和C极之间均连接有放电电阻；所述IGBT开关Sk的C极连接AFPS2的“+”极，Sk的E极连接Cbuck的充电电源输出端的“－”极；所述电容Cbuck两端电压的控制器的控制信号输出端分别连接SD的中的各个IGBT开关的G极、Sk的G极、以及Cbuck的充电电源的控制信号输入端；Cbuck两端电压的控制器接收的电压信号，这些电压信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容两端的电压V₀信号、电容Cbuck两端的电压VCbuck信号。

所述开关SW连接在Cbuck的充电电源输出端的“+”极和AFPS1的“－”极之间。

所述IGBT开关组SD包括六个IGBT开关分别记为S₀～S₅，其中S₅的C极连接Cbuck的充电电源输出端的“+”极，S₀连接Cbuck的充电电源输出端的“－”极。

所述本线性高稳定直流滤波电路中的各个IGBT开关的G极均连接有IGBT驱动器。

下面结合附图与具体实施方式对本技术方案进一步说明如下：

本例中，本滤波电路用于高稳定度高功率磁体电源，该电源的要求为：额定输出电压700V、单台额定输出电流20kA、过载能力(％)10/10min、电流纹波峰－峰值10ppm、稳定度(8小时)10ppm、设定电流的分辨率2ppm、电流精度100ppm。本有源滤波电路的“+”极连接在电源的LC无源滤波电路的滤波电容C的一端，本有源滤波电路的Cbuck的充电电源输出端的“－”极连接在滤波电容C的另一端。

本线性高稳定直流滤波电路包括三部分：1)主电路，2)绝缘栅双极型晶体管IGBT开关K1和K2的控制电路，3)电容Cbuck电压VCbuck的控制电路；详细叙述如下：

1、主电路

主电路如图1虚框中所示。

2、IGBT开关K1、K2的控制器

对于K1、K2的控制独立于对C_buck的充放电控制，对于K1和K2的控制器(控制电路可选用的现有电路可以有多种，例如PLC等，具有根据输入信号计算得到输出信号功能即可，同理，下方的电容Cbuck两端电压VCbuck的控制器也是一样)：

a、控制电路的差分输入的信号有：滤波电容电流I_f、流入有源滤波电路的电流I_af、水冷磁体电流实际值I_M与设定值I_ref的误差电流I_err。

b、控制电路的输出信号有：两路用来驱动IGBT开关K1和K2的信号，这两路信号经隔离(隔离采用IGBT驱动器，例如高速隔离放大器AD215BY)后输出。这两路信号的输出线用双绞线，双绞线的公共COM端分别接K1和K2的E极、双绞线的信号端分别接K1和K2的G极。

c、除作为AFPS1和AFPS2的电源外，还需两路经隔离的±15V约10W的线性电源为高速隔离放大器AD215BY和其它IGBT驱动器(IGBT驱动器连接在K1、K2的G极)供电，隔离电压1kVDC，电源稳定度和精度须好于1％，+15V因驱动IGBT造成的压降小于2％。

3、电容Cbuck两端电压VCbuck的控制器

为使K1、K2可靠工作，需通过控制对Cbuck进行充放电，使K2的CE极电压V_o-VC_buck瞬时值满足：

3V≤V_o-VC_buck≤17V

一)C_buck的快速放电的控制：

S₀～S₅、S_K为主电路的IGBT开关，各个IGBT配有起到隔离作用的的IGBT驱动器。

V_o-VC_buck＜3时对C_buck的快速放电是通过导通S₀或S_K实现的，平均值

导通S_K，

为其它值时下导通S₀，

是VC_buck的低通滤波值，导通S₀的C_buck放电电阻值R_F由以下公式计算：

PLC模数转换(A/D)采样

输出控制S₁～S₅通或断(随

值任何时刻确定)，S₁～S₅工作状态由

取整求反的二进制计算确定，计算列表如下：

二)C_buck的快速充电的控制：

当V_o-VC_buck＞17V(瞬时值)时，立即启动“HF-PS”为C_buck快速充电，“HF-PS”工作在最大电流输出模式。

三)稳定

的控制

V_o-VC_buck的平均值

控制稳定在10V可减少对C_buck的快速充放电需要，

为V_o-VC_buck的低通滤波值，由

的正偏离值决定“HF-PS”为C_buck慢充电电流的大小，最大慢充电电流为5A。

4、Cbuck的充电电源可以采用开关电源，记为HF-PS；HF-PS电源、AFPS1对应电源和AFPS2对应电源的要求：

“HF-PS”电源有快慢二种充电模式，快充电模式响应控制器发来的高电平信号，在0.1ms内有最大为150A电流输出，慢充电模式可使输出电流在0～5A间可调。

“HF-PS”最大输出电压为700V、最大输出电流为150A，其工作占空比约为100mS/1S,则额定输出电流取30A，额定功率取小于25kW。

AFPS1和AFPS2额定输出功率6kW，输出电压在0～20V间可调，额定输出电流300A，它们都有限流功能，限流在100～300A可调，但过流保护时不切断电源，而是维持电源输出最大允许电流，允许输出电压下降。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：该电路包括IGBT开关K1、IGBT开关K2、直流可调电源、电容Cbuck、电容Cbuck充电电源、IGBT开关组SD、IGBT开关Sk以及开关SW；

所述直流可调电源设有两个输出端口，分别为第一输出端口AFPS1和第二输出端口AFPS2，且第一输出端口AFPS1的“－”极与第二输出端口AFPS2的“－”极连接；

所述IGBT开关K1的E极连接IGBT开关K2的C极，且作为所述线性高稳定直流滤波电路的“+”极；IGBT开关K1的C极连接第一输出端口AFPS1的“+”极，IGBT开关K2的E极连接第一输出端口AFPS1的“－”极；所述IGBT开关K1和IGBT开关K2的G极连接IGBT开关控制器，IGBT开关控制器控制IGBT开关K1和IGBT开关K2工作于"线性放大区"；

所述电容Cbuck的两极分别连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”、“－”极；所述IGBT开关Sk的C极连接第二输出端口AFPS2的“+”极，IGBT开关Sk的E极连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极；所述开关SW连接在电容Cbuck充电电源输出端的“+”极和第一输出端口AFPS1的“－”极之间；

所述IGBT开关组SD中的各个IGBT开关的E极和C极顺次连接，其中，第一个IGBT开关的C极连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”极，最后一个IGBT开关的E极连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极，且各个IGBT开关的E极和C极之间均连接有放电电阻；

所述IGBT开关组SD中各个IGBT开关的G极、IGBT开关Sk的G极以及电容Cbuck充电电源的控制信号输入端分别连接电容Cbuck两端电压控制器的信号输出端，所述电容Cbuck两端电压控制器接收电压信号，所述电压信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容两端的电压V₀信号、电容Cbuck两端的电压VC_buck 信号。

2.根据权利要求1所述的一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：所述IGBT开关控制器的信号输出端连接IGBT开关K1和IGBT开关K2的G极，信号输入端接收外部电流信号，所述电流信号包括外部无源LC滤波电路的滤波电容电流I_f信号、所述线性高稳定直流滤波电路的输入电流I_af信号、水冷磁体电流实际值I_M与设定值I_ref的误差电流I_err信号。

3.根据权利要求1所述的一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：所述IGBT开关组SD包括六个IGBT开关，分别记为IGBT开关S₀～S₅，其中IGBT开关S₅的C极连接电容Cbuck充电电源输出端的“+”极，IGBT开关S₀连接电容Cbuck充电电源输出端的“－”极。

4.根据权利要求1或3所述的一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：各个IGBT开关的G极均连接有IGBT驱动器。

5.根据权利要求1所述的一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：所述IGBT开关控制器和电容Cbuck两端电压控制器均采用PLC控制器。

6.根据权利要求3所述的一种线性高稳定直流滤波电路，其特征在于：所述电容Cbuck两端电压控制器对电容Cbuck两端电压VC_buck的控制方法如下：

通过控制对电容Cbuck进行充放电，使IGBT开关K2的C级与E极间电压V_o-VC_buck瞬时值满足：

3V≤V_o-VC_buck≤17V

(1)电容Cbuck 的快速放电的控制：

当V_o-VC_buck<3时，对电容Cbuck 的快速放电是通过导通IGBT开关S₀或IGBT开关S_K实现的，VC_buck的平均值

时，导通IGBT开关S_K，

为其它值时，导通IGBT开关S₀，

作为VC_buck的低通滤波值，导通IGBT开关S₀的Cbuck 放电电阻值R_F由以下公式计算：

通过采样

输出值，来控制IGBT开关S₁～S₅通/断，这是随

值随时确定；IGBT开关S₁～S₅工作状态由

取整求反的二进制计算确定；

(2)电容Cbuck 的快速充电的控制：

当V_o-VC_buck>17V时，立即启动电容Cbuck充电电源为电容Cbuck 快速充电，电容Cbuck充电电源工作在最大电流输出模式；

(3)稳定

的控制：

作为V_o-VC_buck的低通滤波值，由

V的正偏离值决定电容Cbuck充电电源为电容Cbuck 慢充电电流的大小，最大慢充电电流为5A。

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