CN203445790U

CN203445790U - 一种高压dc/dc开关电源

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Publication number: CN203445790U
Application number: CN201320393488.XU
Authority: CN
Inventors: 任博涛
Original assignee: BEIJING HICONICS DRIVE TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Hiconics Eco Energy Technology Co ltd
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-07-03

Abstract

本实用新型提供一种高压DC/DC开关电源，能够直接用于中高压变频器功率单元、中压逆变器中。其主电路由若干个基本变换模块构成，基本变换模块包括两只晶体管Q1、Q2；两只分压电容C1、C2；两只均压电阻R1、R2；隔直电容C3；高频变压器T1；四个整流二极管D1-D4，分压电容C1、C2和所述晶体管Q1、Q2接成半桥变换结构，隔直电容C3串联在半桥变换结构的输出端和高频变压器T1原边线圈之间。高频变压器T1副边输出由二极管D1-D4进行全桥整流，各个基本变换模块的输入端串联连接，输出端并联连接。由于采用基本变换模块设计，结构简单，即使使用低电压等级的晶体管，也能提高输入电压，性价比高；输入电压能够直接取自中高压变频器功率单元、中压逆变器直流母线，***运行稳定性高；通过增加基本变换模块即可轻易实现更高的输入电压。

Description

一种高压DC/DC开关电源

技术领域

本发明涉及一种高压DC/DC开关电源，尤其涉及在中高压变频器功率单元、中压逆变器中为主控电路提供电源的DC/DC开关电源。

背景技术

在中高压变频器功率单元、中压逆变器中通常使用DC/DC开关电源为主控电路等周边电路供电。随着中高压变频器功率单元、中压逆变器功率的增大和直流母线电压的增高，对DC/DC开关电源的输入电压也提出更高的要求。但作为DC/DC开关电源中主要器件的晶体管（通俗称开关管），由于目前高耐压晶体管成本过高、种类单一，限制了高压DC/DC开关电源的发展，目前DC/DC开关电源输入电压一般低于1000V，而中压等级功率单元、中压逆变器的直流母线电压一般超过1600V，因此无法直接由母线电压为DC/DC开关电源供电。现有技术中解决此问题的方法为，一般采用以下两种方式。

第一：由工频变压器将输入电压降压，然后再经过二极管整流、电容滤波得到一个较低值的直流电压，将其作为DC/DC开关电源的输入电压，为DC/DC开关电源供电；

第二：由串联滤波电容，获取直流母线电压的一半等部分电压作为DC/DC开关电源的输入电压，为DC/DC开关电源供电。

两种方式虽然解决了DC/DC开关电源的输入电压低于母线电压的问题，但存在诸多不足。第一种方式增加了一级工频变压器，工频变压器不仅自身笨重，体积大，造价高、损耗高，与由直流母线供电的相比，容易受到电网的影响，在电网波动和瞬时掉电时，会造成主控电路掉电而引起停机等隐患。第二种方式由于DC/DC开关电源的输入电压取自取直流母线电压的一半等部分电压，开关电源的工作将会影响串联滤波电容的充放电，造成串联滤波电容间的阻抗不匹配，引起滤波电容的电压不均衡，造成电容因过压而损坏。因此，对于***的稳定性和可靠性，此两种方式都存在着不足的地方，即降低了***的稳定性和可靠性。

发明内容

针对现有技术中DC/DC开关电源的输入电压低，不能直接应用于中高压变频器功率单元、中压逆变器中为主控电路供电，而目前的解决方案又存在效率低、造价高、***稳定性差等诸多缺点的问题，本发明提供一种适用于中高压变频器功率单元、中压逆变器的高压DC/DC开关电源，不仅能够采用低耐压等级的晶体管，还能够提高***的运行稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一技术方案为一种高压DC/DC开关电源，其特征在于，其主电路部分由若干个基本变换模块构成，基本变换模块包括两只串联的晶体管（Q1、Q2），两只串联的分压电容（C1、C2），两只分别并联在所述分压电容（C1、C2）两端的均压电阻（R1、R2），所述分压电容（C1、C2）和所述晶体管（Q1、Q2）接成半桥变换结构，所述分压电容（C1、C2）的连接点与两只晶体管（Q1、Q2）的连接点作为半桥变换结构的输出通过隔直电容（C3）与高频变压器（T1）的原边线圈连接，所述高频变压器（T1）的副边线圈与整流电路（D1-D4）的输入端连接，所述串联的分压电容（C1、C2）的两端为基本变换模块的输入端，所述整流电路（D1-D4）的输出端为基本变换模块的输出端，各个基本变换模块的输入端串联连接，输出端并联连接。

第二技术方案是在第一技术方案的基础上构成，其特征在于，还包括输出滤波电感（L1），输出滤波电容（C10），所述滤波电感（L1）串接在所述基本变换模块的输出端；所述滤波电容（C10）并联在所述基本变换模块的输出两端。

第三技术方案是在第二技术方案的基础上构成，其特征在于，对所述基本变换模块中的晶体管（Q1、Q2）进行控制的两路控制信号为脉宽调制PWM波，各个基本变换模块中的晶体管控制信号采用并联方式。

第四技术方案是在第一至三中任一技术方案的基础上构成，其特征在于，还包括输出电压采样电路（5）、驱动隔离电路（3）、过流检测保护电路（6）、启振电路（8）、辅助电源电路（9）。

第五技术方案是在第一至三中任一技术方案的基础上构成，其特征在于，所述高压DC/DC开关电源的供电对象为中高压变频器功率单元或中压逆变器的主控电路，所述串联的分压电容（C1、C2）的电容量根据母线电压掉电时需要维持对主控电路的供电时间选取。

由于主电路采用多个基本变换模块构成，本发明的有益效果在于：第一，即使使用低电压等级晶体管，也能得到高输入电压的高压DC/DC开关电源，能够直接用于中高压变频器功率单元、中压逆变器中，成本低，性价比高；第二，由于采用基本变换模块设计，结构简单，体积小；第三，输入电压能够取自中高压变频器功率单元、中压逆变器直流母线，尤其是串联的分压电容（C1、C2）的电容量根据母线电压掉电时需要维持对主控电路的供电时间选取时，能够极大地提高在电网波动和瞬时掉电时***运行稳定性和可靠性；第四，具有良好的扩展性，通过增加基本变换模块即可轻易提高高电压DC/DC开关电源的输入电压。

附图说明

图1为本发明高压DC/DC开关电源中，构成主电路的基本变换模块原理图；

图2为基本变换模块的简化框图；

图3为本发明高压DC/DC开关电源中，若干基本变换模块之间的简化连接框图；

图4为高压DC/DC开关电源中，三个基本变换模块组成的主电路原理图；

图5为本发明高压DC/DC开关电源的具体实施例的结构示意图；

图6为本发明高压DC/DC开关电源的具体实施例的参考电路图；

图7为使用本发明高压DC/DC开关电源的中高压变频器功率单元、中压逆变器的结构示意图；

图8为使用本发明高压DC/DC开关电源的中高压变频器功率单元、中压逆变器的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

图1为本发明高压DC/DC开关电源中，构成主电路的基本变换模块原理图，图2为基本变换模块的简化框图。如图所示，基本变换模块包括两只串联的晶体管Q1、Q2，两只串联的分压电容C1、C2，两只分别并联在分压电容C1、C2两端的均压电阻R1、R2，分压电容C1、C2和晶体管Q1、Q2接成半桥变换结构，分压电容C1、C2的连接点与两只晶体管Q1、Q2的连接点作为半桥变换结构的输出通过隔直电容C3与高频变压器T1的原边线圈连接，高频变压器T1的副边线圈与四个整流二极管D1-D4构成的全桥整流电路的输入端连接，串联的分压电容C1、C2的两端为基本变换模块的输入端，全桥整流电路的输出端为基本变换模块的输出端。

本发明的高压DC/DC开关电源的主电路（逆变、整流电路）采用若干个基本变换模块构成，各个基本变换模块如图3所示，输入端串联连接，直接与中高压变频器功率单元或中压逆变器的直流母线连接。输出端并联连接，其输出电压U0为中高压变频器功率单元或中压逆变器的控制电路（主控电路）供电。

由于基本变换模块的输入端串联连接，各个基本变换模块的输入电压被分压，降低了对晶体管Q1、Q2的耐压要求。基本变换模块的数量根据输入电压Uin和晶体管Q1、Q2的耐压等级选定。

图4为高压DC/DC开关电源中，三个基本变换模块组成的主电路原理图。由于主电路由三个基本变换模块组成，各个基本变换模块的输入电压为总输入电压Uin的三分之一。对于最大2400V的直流母线电压来说，各个基本变换模块的最大输入电压为800V，选择耐压等级大于800V的晶体管，即可将高压DC/DC开关电源直接用于高压变频器功率单元中，成本低，性价比高。

以下对本发明的实施例进行说明。

图5为本发明高压DC/DC开关电源的具体实施例的结构示意图。主电路1由多个基本变换模块构成。各个基本变换模块之间的连接如上所述，输入端串联，输出端并联连接。PWM控制电路2产生驱动信号，驱动信号经驱动隔离电路3隔离处理后输入到主电路1中各个基本变换模块，驱动的各个基本变换模块中的晶体管Q1、Q2。各个基本变换模块中的晶体管控制信号采用并联方式。由多个基本变换模块构成的主电路1的输出电压经输出滤波电路4滤波后对负载（主控）供电。输出电压采样电路5为反馈回路，通过对输出电压进行采样，PWM控制电路2调整PWM信号的占空比，使输出电压保持稳定。过流检测保护电路6检测输出电流，输出电流过流时，PWM控制电路2停止输出控制信号，高压DC/DC开关电源停止工作。启振电路8为PWM控制电路2、驱动隔离电路3提供自激启动电源，开关电源自激启动完成后，辅助电源电路9正常工作，代替启振电路8为高压DC/DC开关电源的控制电路提供电源。

图6为本发明高压DC/DC开关电源的具体实施例的参考电路图。

参考电路为一种直流输入电压最大可达2400V的高压DC/DC开关电源，适用于直流母线电压最高为2400V的中高压变频器功率单元、中压逆变器。

输入直流电压取自中高压变频器功率单元、中压逆变器直流母线，输入直流电压Uin+、Uin-被串联的分压电容C1-C6分压，每个分压电容C1-C6由均压电阻R1-R6并联均压，保证分压电容C1-C6 电压的均衡分配。C1、C2、C7、R1、R2、Q1、Q2、T1、D1-D4组成第一路基本变换模块，C3、C4、C8、R3、R4、Q3、Q4、T2、D5-D8组成第二路基本变换模块，C5、C6、C9、R5、R6、Q5、Q6、T3、D9-D12组成第三路基本变换模块；三路基本变换模块输出端并联连接，并经过输出滤波电感L1和滤波电容C10得到稳定的直流输出电压，三路基本变换模块输入电压为总输入电压的三分之一，对于最大2400V的直流母线电压来说，三路基本变换模块最大输入电压为800V，对于晶体管Q1-Q6的选择将很容易。晶体管Q1-Q6的控制信号采用脉宽调制（PWM）方式，由电源芯片IC1（UC3825）产生两路PWM控制信号，两路PWM控制信号经过信号放大集成芯片IC2、IC3输送至三路脉冲变压器T4-T6，进行信号隔离处理；其中T4脉冲变压器的两路副边输出经过死区延时电路产生两组控制信号(

和

)对第一路基本变换模块中Q1、Q2进行控制，T5脉冲变压器的两路副边输出经过死区延时电路产生两组控制信号（

和

）对第二路基本变换模块中Q3、Q4进行控制，T6脉冲变压器的两路副边输出经过死区延时电路产生两组控制信号（

和

）对第三路基本变换模块中Q5、Q6进行控制。三路基本变换模块输出交流方波电压，此交流方波电压经过各自全桥整流电路得到直流方波电压，并接后经过L1和C10滤波，输出平滑的直流电压。

输出电压经过采样处理电路后，将经过光耦IC3隔离处理的反馈信号送至IC1（UC3825）内部误差放大器输入端进行误差处理，进而调节两路PWM信号的占空比，达到稳定输出电压的目的。过流检测保护电路通过采样电阻R7检测输出电流，当输出电流超过设定的安全电流阈值时，经过光耦IC4隔离的过流信号“OC”将送至IC1UC3825的故障保护端口，封锁PWM信号输出。启振电路为IC1和晶体管Q1-Q6控制电路提供自激启动电源，开关电源自激启动完成后，辅助电源电路正常工作，将代替启振电路为高压DC/DC开关电源控制电路提供电源。

本电源采用三路基本变换模块组成，此种连接方式将保证各基本变换模块输入电压平均分配，输出电流亦平均分配，此种方式使得电源输出总功率为三路基本变换模块中高频变压器T1-T3传递功率之和，因此，对于高压大功率输出开关电源应用场合亦很实用。

由于采用若干个基本变换模块构成主回路，降低了晶体管的耐压等级的要求，不仅成本低，性价比高，还能直接由中高压变频器功率单元、中压逆变器的直流母线电压为高压DC/DC开关电源供电，由于采用基本变换模块设计，结构简单，体积小。

以下对使用本发明高压DC/DC开关电源的中高压变频器功率单元、中压逆变器进行说明。

如图7所示，中高压变频器功率单元、中压逆变器按照电气功能分为6部分，分别为：整流电路、滤波电路、逆变电路、高压DC/DC电源、主控电路、上位机；其中主控电路包括电源电路、控制电路、信号采样、驱动电路和保护电路。高压DC/DC电源连接在滤波电路的输出端，即直流母线上，将母线电压Uin降压后为主控电路供电。

中高压变频器功率单元、中压逆变器的工作流程如图8所示；由整流电路（三相整流电路）将三相交流输入电源整流为六脉波直流电，整流电路可为不控整流电路或为可控整流电路；六脉波直流电经过滤波电路滤波得到平滑的直流母线电压，此母线电压为逆变电路提供能量，同时作为高压DC/DC电源的供电电源；当母线电压升至高压DC/DC电源工作阈值时，高压DC/DC电源开始工作，为主控电路提供电源；主控电路上电完成后与上位机通讯，上位机发送工作指令至主控电路；主控电路产生PWM波，经驱动电路控制由IGBT组成的逆变电路输出电压。

由于高压DC/DC电源的输入电压直接取自中高压变频器功率单元、中压逆变器的直流母线，与现有技术中由串联滤波电容获取低于直流母线电压的方式相比，不会造成串联滤波电容的阻抗不匹配，提高了***的稳定性和可靠性。由于高压DC/DC电源的输入电压提高到与直流母线电压相同的电压，因此，可有效利用高压DC/DC电源输入端的串联电容（图4中C1至C9）的蓄能作用，在电网波动和瞬时掉电时，维持对主控电路的供电，提高了***运行的稳定性和可靠性。图4中串联电容C1至C9和图6中串联电容C1至C6的电容量根据主控电路的功率大小和在电网波动和瞬时掉电时，维持对主控电路供电时间的长短优化选择。

如***要求在电网瞬时掉电后，主控电路维持供电约2秒时间，对于输入电压为2400V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只47uF，等效容量为7.8uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持2.2秒的供电时间；对于输入电压为2000V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只68uF，等效容量为11.3uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持2.2秒的供电时间；对于输入电压为1800V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只100uF，等效容量为16.7uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持2.6秒的供电时间；对于输入电压为1600V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只100uF，等效容量为16.7uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持2.1秒的供电时间。

如***要求在电网瞬时掉电后，主控电路维持供电约5秒时间，对于输入电压为2400V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只100uF，等效容量为16.7uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持4.8秒的供电时间；对于输入电压为2000V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只150uF，等效容量为25uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持5.0秒的供电时间；对于输入电压为1800V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只180uF，等效容量为30uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持4.8秒的供电时间；对于输入电压为1600V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只220uF，等效容量为36.7uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持4.7秒的供电时间。

如***要求在电网瞬时掉电后，主控电路维持供电约10秒时间，对于输入电压为2400V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只220uF，等效容量为36.7uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持10.5秒的供电时间；对于输入电压为2000V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只330uF，等效容量为55uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持11.0秒的供电时间；对于输入电压为1800V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只390uF，等效容量为65uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持10.4秒的供电时间；对于输入电压为1600V的高压DC/DC电源，串联电容可选6只470uF，等效容量为78.3uF，这样对于通常的主控电路，大约能维持10秒的供电时间。

不同输入电压等级可通过选择不同容量的电容，来达到既保证了有效的供电时间，又防止了不必要的增大电容器的容量的目的。

以上是在电网掉电时以能维持对主控电路供电2秒、5秒和10秒左右的时间来选取串联电容的电容量，但根据需要也可以以其他时间长短为基准，来选取串联电容的电容量，优选以能维持主控电路供电1至10秒的时间为基准，设计串联电容的电容量。电容量可按经验公式、仿真或实验的方法得到。

对于直流母线电压更高的中高压变频器功率单元、中压逆变器，只要相应地增加基本变换模块即可使高压DC/DC电源的输入电压适合于其直流母线电压，因此本发明的高压DC/DC电源具有很好的扩展性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，进行改变或替换，其都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种高压DC/DC开关电源，其输入电压为中高压变频器功率单元或中压逆变器的直流母线电压，其特征在于，其主电路部分由若干个基本变换模块构成，基本变换模块包括两只串联的晶体管（Q1、Q2），两只串联的分压电容（C1、C2），两只分别并联在所述分压电容（C1、C2）两端的均压电阻（R1、R2），所述分压电容（C1、C2）和所述晶体管（Q1、Q2）接成半桥变换结构，所述分压电容（C1、C2）的连接点与两只晶体管（Q1、Q2）的连接点作为半桥变换结构的输出通过隔直电容（C3）与高频变压器（T1）的原边线圈连接，所述高频变压器（T1）的副边线圈与整流电路（D1-D4）的输入端连接，所述串联的分压电容（C1、C2）的两端为基本变换模块的输入端，所述整流电路（D1-D4）的输出端为基本变换模块的输出端，各个基本变换模块的输入端串联连接，输出端并联连接。

2.根据权利要求1所述的高压DC/DC开关电源，其特征在于，还包括输出滤波电感（L1），输出滤波电容（C10），所述滤波电感（L1）串接在所述基本变换模块的输出端；所述滤波电容（C10）并联在所述基本变换模块的输出两端。

3.根据权利要求2所述的高压DC/DC开关电源，其特征在于，对所述基本变换模块中的晶体管（Q1、Q2）进行控制的两路控制信号为脉宽调制PWM波，各个基本变换模块中的晶体管控制信号采用并联方式。

4.根据权利要求1至3中任一所述的高压DC/DC开关电源，其特征在于，还包括输出电压采样电路（5）、驱动隔离电路（3）、过流检测保护电路（6）、启振电路（8）、辅助电源电路（9）。

5.根据权利要求1至3中任一所述的高压DC/DC开关电源，其特征在于，所述高压DC/DC开关电源的供电对象为中高压变频器功率单元或中压逆变器的主控电路，所述串联的分压电容（C1、C2）的电容量根据主控电路的功率大小和在母线电压掉电时需要维持对主控电路的供电时间选取。

6.根据权利要求5所述的高压DC/DC开关电源，其特征在于，所述分压电容（C1、C2）的电容量按照母线电压掉电时能维持对主控电路供电1至10秒的时间选取。