CN111478604B - 一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路 - Google Patents

一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，包括发电机、变压器、电抗器、二极管上半桥、二极管下半桥、滤波电路采用三相自饱和电抗器的可控饱和特性替代传统功率半导体器件(MOSFET、IGBT等)，在1.5倍/2倍过载工况下，由于三相自饱和电抗器本身是磁性材料和金属材料(绕组线圈)，其耐大电流耐高温特性相当优越，不存在烧坏风险，十分可靠；反馈控制电路采用全模拟电路，控制电路简单可靠，抗干扰能力强，功率电路相比不存在高频开关工况，大大减小了电磁干扰，整机的EMI性能大幅提升，整机使用的元器件均为普通元器件，成本较低，完全可以满足军用国产化需求。

Description

一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路
技术领域
本发明涉及一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路。
背景技术
大型航空无人机的电源***包括一次电源和二次电源，一次电源为交流永磁同步发电机，二次电源为交流变直流的电源变换器。交流永磁同步发电机产生的是三相交流电，然而飞机上有许多直流用电设备，因此作为二次电源的电源变换器将起到关键作用。目前大型航空无人机发电机电源变换器通常采用两种方案实现：
(1)方案一：采用三相不可控整流+DC/DC变换器的两级方案，该方案前级采用三相不可控整流将发电机发出三相交流电整流成脉动直流，后级通过斩波控制，调节开关管导通占空比实现直流稳压输出；
(2)方案二：采用三相PWM整流方案，该方案为一级AC/DC 电路拓扑，通过采集发电机输出三相电压电流值和相位以及输出电压值，采用SVPWM矢量控制策略，实现发电机高功率因素发电和直流稳压输出。
方案一的主要缺点在于大功率DC/DC变换器采用的功率器件 MOSFET开关管的电流应力有限，在航空28V供电体制下，输出1.5 倍/2倍过载的大功率大电流应用场合单只开关管的过电流能力无法覆盖应用需求，虽然可以通过并联开关管达到目的，但在过载瞬间，可能存在并联开关管开关速度以及阻抗不均匀导致烧毁开关管的风险，降低了可靠性。另外，大功率DC/DC变换器高频的开关控制带来严重的电磁干扰，加大了整机EMI设计的难度；
方案二的主要缺点在于三相PWM整流器采用功率器件IGBT开关管同样电流应力有限，在大功率1.5倍/2倍过载应用场合可靠性降低。另外电源变换器采用全数字控制，电路复杂器件较多，整机对电磁兼容设计要求极高，设计难度以及产品成本大幅提升，而且无法实现国产化。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，包括发电机、变压器、电抗器、二极管上半桥、二极管下半桥、滤波电路、采样电路、负载，所述发电机与变压器输入端连接，变压器输出端与电抗器连接，二极管上半桥输入端、输出端分别与电抗器输出端、滤波电路连接，二极管下半桥输出端与电抗器输入端、滤波电路分别连接，滤波电路、采样电路、负载并联。
所述变压器是三相变压器，且三相变压器采用Δ/Y接法，三相变压器输入端的三相分别与发电机的A相、B相、C相连接，输出三相电压Ea、Eb、Ec到电抗器。
所述电抗器是三相自饱和电抗器，且三相自饱和电抗器包括可控自饱和电抗器T1～T6，可控自饱和电抗器T1～T6相同且每个可控自饱和电抗器包括铁芯与绕组，绕组包括控制绕组、工作绕组，T1工作绕组的同名端与T2工作绕组的异名端连接，T3工作绕组的同名端与T4 工作绕组的异名端连接，T5工作绕组的同名端与T6工作绕组的异名端连接，T5控制绕组的同名端与T3控制绕组的异名端连接，按T3、 T1、T2、T4、T6的顺序将控制绕组的同异名端依次连接；
三相变压器输出的三相电压Ea、Eb、Ec分别输入到T1工作绕组同名端与T2工作绕组异名端之间的节点、T3工作绕组同名端与T4工作绕组异名端之间的节点、T5工作绕组同名端与T6工作绕组异名端之间的节点。
所述二极管上半桥、二极管下半桥分别包括三个二极管，二极管上半桥的三个二极管阳极分别与可控自饱和电抗器T1、T3、T5工作绕组异名端连接，三个二极管阴极短接后与滤波电路连接；
二极管下半桥的三个二极管的阴极分别与可控自饱和电抗器T2、 T4、T6工作绕组同名端连接，三个二极管阳极短接后与滤波电路连接。
所述采样电路输出端与误差放大器输入负端连接，误差放大器输出端与驱动模块连接，驱动模块输出端与可控自饱和电抗器T5控制绕组异名端、T6控制绕组同名端连接，驱动模块输入端与辅助电源连接。
所述误差放大器与驱动模块之间设有PI调节器、低通滤波电路， PI调节器包括电阻R1、电容C1、C2，电阻R1与电容C1串联后并联在误差放大器输入负端与输出端上，电容C2两端分别与误差放大器输入负端、输出端连接；
低通滤波电路包括电阻R2、电容C3，误差放大器的输出端与电阻R2一端连接；
驱动模块包括驱动模块包括正电源Vcc、负电源-Ve、N型达林顿管Q1、P型达林顿管Q2、驱动电阻R3，N型达林顿管Q1的C极与正电源Vcc连接，N型达林顿管Q1的b极、P型达林顿管Q2的b极短接后与 R2的另一端连接，P型达林顿管Q2的e极与负电源-Ve连接，N型达林顿管Q1的e极与P型达林顿管Q2的C极相连后与R3一端连接；
辅助电源提供正电源+Vcc为+15V，负电源-Ve为-5V。
所述发电机输出三相交流线电压范围140Vac～250Vac。
所述滤波电路包括电容C1-C3、电感L1、L2，电容CY，电感L1 的一端作为输入端、另一端与电容C1一端。电感L2一端分别连接，电感L2另一端与电容C2一端连接，电容C1另一端、电容C2另一端分别接地，电容C3与电容C2并联，电容CY与电容C3并联。
所述采样电路包括电阻R1、电阻R2，电阻R1一端与电源连接，另一端与电阻R2一端连接且输出5V电压，电阻R2另一端接地。
本发明的有益效果在于：采用三相自饱和电抗器的可控饱和特性替代传统功率半导体器件(MOSFET、IGBT等)，在1.5倍/2倍过载工况下，由于三相自饱和电抗器本身是磁性材料和金属材料(绕组线圈)，其耐大电流耐高温特性相当优越，不存在烧坏风险，十分可靠；反馈控制电路采用全模拟电路，控制电路简单可靠，抗干扰能力强，功率电路相比不存在高频开关工况，大大减小了电磁干扰，整机的EMI性能大幅提升，整机使用的元器件均为普通元器件，成本较低，完全可以满足军用国产化需求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的三相自饱和电抗器的电路原理图；
图3是本发明的差放大器与驱动模块的电路原理图；
图4是本发明的滤波电路电路原理图；
图5是本发明的采样电路电路原理图。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明所申请的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，包括发电机、变压器、电抗器、二极管上半桥、二极管下半桥、滤波电路、采样电路、负载，所述发电机与变压器输入端连接，变压器输出端与电抗器连接，二极管上半桥输入端、输出端分别与电抗器输出端、滤波电路连接，二极管下半桥输出端与电抗器输入端、滤波电路分别连接，滤波电路、采样电路、负载并联。
变压器是三相变压器，且三相变压器采用Δ/Y接法，三相变压器输入端的三相分别与发电机的A相、B相、C相连接，输出三相电压Ea、 Eb、Ec到电抗器。
电抗器是三相自饱和电抗器，且三相自饱和电抗器包括可控自饱和电抗器T1～T6，可控自饱和电抗器T1～T6相同且每个可控自饱和电抗器包括铁芯与绕组，绕组包括控制绕组、工作绕组，T1工作绕组的同名端与T2工作绕组的异名端连接，T3工作绕组的同名端与T4工作绕组的异名端连接，T5工作绕组的同名端与T6工作绕组的异名端连接，T5控制绕组的同名端与T3控制绕组的异名端连接，按T3、T1、 T2、T4、T6的顺序将控制绕组的同异名端依次连接；
三相变压器输出的三相电压Ea、Eb、Ec分别输入到T1工作绕组同名端与T2工作绕组异名端之间的节点、T3工作绕组同名端与T4工作绕组异名端之间的节点、T5工作绕组同名端与T6工作绕组异名端之间的节点；三相变压器起到输入输出隔离和固定变比降压的作用，由于发电机输出电压很高，直接整流电压远远高出输出电压要求，所以需要三相变压器进行降压，三相变压器的匝比设计需保证当发电机处在最低转速时，经过三相变压器降压整流之后的电压能大于输出电压值，通常采用Δ/Y接法，三相变压器原边绕组与永磁发电机三相连接，三相变压器副边绕组与三相自饱和电抗器每桥臂中间节点连接，三相自饱和电抗器每桥臂上节点与二极管上半桥节点连接，三相自饱和电抗器每桥臂下节点与二极管下半桥节点连接，二极管上半桥公共节点与LC滤波电路的正端连接，二极管下半桥公共节点与LC滤波电路的负端连接，分压采样电路与LC滤波电路输出正负端连接，分压采样电路中间节点与误差放大电路的负端连接，误差放大电路输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与三相自饱和电抗器副边绕组的正负端连接、辅助电源与驱动模块的电源端连接构成。
二极管上半桥、二极管下半桥分别包括三个二极管，二极管上半桥的三个二极管阳极分别与可控自饱和电抗器T1、T3、T5工作绕组异名端连接，三个二极管阴极短接后与滤波电路连接；
二极管下半桥的三个二极管的阴极分别与可控自饱和电抗器T2、 T4、T6工作绕组同名端连接，三个二极管阳极短接后与滤波电路连接。
采样电路输出端与误差放大器输入负端连接，误差放大器输出端与驱动模块连接，驱动模块输出端与可控自饱和电抗器T5控制绕组异名端、T6控制绕组同名端连接，驱动模块输入端与辅助电源连接。
误差放大器输入负端与采样电路连接，误差放大器输入正端与电压基准连接，电阻R1和电容C1串联之后与电容C2并联组成PI调节器， PI调节器两端分别与误差放大器输入负端和输出端连接，误差放大器的正负电源接口分别与+Vcc、-Ve连接；电阻R2与电容C3组成低通滤波器，消除驱动信号的高频干扰，分别与LM124输出端和驱动模块的输入端连接；驱动模块由正电源Vcc、负电源-Ve、N型达林顿管Q1、 P型达林顿管Q2、驱动电阻R3组成。Q1的C极与正电源Vcc连接，Q1、 Q2的b极相连与R2的一端连接，Q2的e极与负电源-Ve连接，Q1的e极与Q2的C极相连之后与R3连接。辅助电源提供正电源+Vcc为+15V，负电源-Ve为-5V，误差放大器型号是LM124；
误差放大器与驱动模块之间设有PI调节器、低通滤波电路，PI调节器包括电阻R1、电容C1、C2，电阻R1与电容C1串联后并联在误差放大器输入负端与输出端上，电容C2两端分别与误差放大器输入负端、输出端连接；
低通滤波电路包括电阻R2、电容C3，误差放大器的输出端与电阻R2一端连接；
驱动模块包括驱动模块包括正电源Vcc、负电源-Ve、N型达林顿管Q1、P型达林顿管Q2、驱动电阻R3，N型达林顿管Q1的C极与正电源Vcc连接，N型达林顿管Q1的b极、P型达林顿管Q2的b极短接后与 R2的另一端连接，P型达林顿管Q2的e极与负电源-Ve连接，N型达林顿管Q1的e极与P型达林顿管Q2的C极相连后与R3一端连接；辅助电源提供正电源+Vcc为+15V，负电源-Ve为-5V。
发电机输出三相交流线电压范围140Vac～250Vac。
滤波电路包括电容C1-C3、电感L1、L2，电容CY，电感L1的一端作为输入端、另一端与电容C1一端。电感L2一端分别连接，电感L2另一端与电容C2一端连接，电容C1另一端、电容C2另一端分别接地，电容C3与电容C2并联，电容CY与电容C3并联。
滤波电路采用两级滤波，如图4示，L1与C1组成第一级滤波， L2与C2、C3、CY组成第二级滤波。L1、L2为差模电感，L1电感量通常比L2大，分别为15μH和7.8μH；C1、C2为大容量铝电解电容，分别为1000μF和470μF，C3为瓷介电容，主要滤除高频纹波，通常取值0.01μF～1μF；CY为接地Y电容，主要滤除共模噪声，通常取值为2200pF～10000pF。
采样电路包括电阻R1、电阻R2，电阻R1一端与电源连接，另一端与电阻R2一端连接且输出5V电压，电阻R2另一端接地。
电阻R1、电阻R2两个分压电阻串联组成，Vo+电压为30V，经分压后Vf为+5V。
如图2所示三相自饱和电抗器的电路原理图，三相自饱和电抗器是发电机电源变换器的核心元件，由铁芯和绕组线圈构成，运用磁饱和原理作为开关元件控制电源输出。三相自饱和电抗器由6个相同的可控自饱和电抗器组成(T1～T6)，T1工作绕组的同名端与T2工作绕组的异名端连接，T3工作绕组的同名端与T4工作绕组的异名端连接，T5工作绕组的同名端与T6工作绕组的异名端连接，T5控制绕组的同名端与T3控制绕组的异名端连接，此后按T3-T1-T2-T4-T6的顺序将控制绕组的同异名端依次连接；其中可控自饱和电抗器T1～T6 的初级侧作为控制绕组、次级侧作为工作绕组。
控制电流Ik的大小可以控制三相自饱和电抗器的导通角，导通角的大小直接决定输出电压的大小，通过反馈闭环控制调节导通角就能保证在发电机要求的转速范围内电源变换器实现稳压输出。
二极管上下半桥起到整流作用；LC滤波电路起到将整流之后的脉动直流滤波成平滑直流作用；分压采样电路将输出电压分压之后送入误差放大器与基准Vref比较，误差放大器输出控制驱动模块的输出电压大小(即为控制电流Ik的大小)；辅助电源为驱动模块提供电源。
本申请主要技术参数：发电机输出三相交流线电压范围： 140Vac～250Vac/2570Hz～3750Hz；输出电压30V，额定功率2kW，过载功率可达到5kW。

Claims (7)

1.一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：包括发电机、变压器、电抗器、二极管上半桥、二极管下半桥、滤波电路、采样电路、负载，所述发电机与变压器输入端连接，变压器输出端与电抗器连接，二极管上半桥输入端、输出端分别与电抗器输出端、滤波电路连接，二极管下半桥输出端与电抗器输入端、滤波电路分别连接，滤波电路、采样电路、负载并联；
所述采样电路输出端与误差放大器输入负端连接，误差放大器输入正端与电压基准连接，误差放大器输出端与驱动模块连接，驱动模块输出端与可控自饱和电抗器T5控制绕组异名端、T6控制绕组同名端连接，驱动模块输入端与辅助电源连接；
所述误差放大器与驱动模块之间设有PI调节器、低通滤波电路，PI调节器包括电阻R1、电容C1、C2，电阻R1与电容C1串联后并联在误差放大器输入负端与输出端上，电容C2两端分别与误差放大器输入负端、输出端连接；
低通滤波电路包括电阻R2、电容C3，误差放大器的输出端与电阻R2一端连接；
驱动模块包括驱动模块包括正电源Vcc、负电源-Ve、N型达林顿管Q1、P型达林顿管Q2、驱动电阻R3，N型达林顿管Q1的C极与正电源Vcc连接，N型达林顿管Q1的b极、P型达林顿管Q2的b极短接后与R2的另一端连接，P型达林顿管Q2的e极与负电源-Ve连接，N型达林顿管Q1的e极与P型达林顿管Q2的C极相连后与R3一端连接；
辅助电源提供正电源+Vcc为+15V，负电源-Ve为-5V。
2.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述变压器是三相变压器，且三相变压器采用Δ/Y接法，三相变压器输入端的三相分别与发电机的A相、B相、C相连接，输出三相电压Ea、Eb、Ec到电抗器。
3.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述电抗器是三相自饱和电抗器，且三相自饱和电抗器包括可控自饱和电抗器T1～T6，可控自饱和电抗器T1～T6相同且每个可控自饱和电抗器包括铁芯与绕组，绕组包括控制绕组、工作绕组，T1工作绕组的同名端与T2工作绕组的异名端连接，T3工作绕组的同名端与T4工作绕组的异名端连接，T5工作绕组的同名端与T6工作绕组的异名端连接，T5控制绕组的同名端与T3控制绕组的异名端连接，按T3、T1、T2、T4、T6的顺序将控制绕组的同异名端依次连接；
三相变压器输出的三相电压Ea、Eb、Ec分别输入到T1工作绕组同名端与T2工作绕组异名端之间的节点、T3工作绕组同名端与T4工作绕组异名端之间的节点、T5工作绕组同名端与T6工作绕组异名端之间的节点。
4.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述二极管上半桥、二极管下半桥分别包括三个二极管，二极管上半桥的三个二极管阳极分别与可控自饱和电抗器T1、T3、T5工作绕组异名端连接，三个二极管阴极短接后与滤波电路连接；
二极管下半桥的三个二极管的阴极分别与可控自饱和电抗器T2、T4、T6工作绕组同名端连接，三个二极管阳极短接后与滤波电路连接。
5.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述发电机输出三相交流线电压范围140Vac～250Vac。
6.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述滤波电路包括电容C1-C3、电感L1、L2，电容CY，电感L1的一端作为输入端、另一端与电容C1一端；电感L2一端分别连接，电感L2另一端与电容C2一端连接，电容C1另一端、电容C2另一端分别接地，电容C3与电容C2并联，电容CY与电容C3并联。
7.如权利要求1所述的一种基于三相自饱和电抗器的电源变换电路，其特征在于：所述采样电路包括电阻R1、电阻R2，电阻R1一端与电源连接，另一端与电阻R2一端连接且输出5V电压，电阻R2另一端接地。
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