CN210075085U - 一种采用软开关控制的超导磁体电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用软开关控制的超导磁体电源，该电源由高压侧桥式电路、高频变压器、低压侧整流电路、滤波电路与超导磁体线圈组成，高压侧桥式电路由Cbus、Q1、Q2、Q3、Q4、D1、D2、D3、D4、C1、C2、C3、C4等组成，低压侧整流电路由Qs1、Qs2、Qs3、Qs4、Ds1、Ds2、Ds3、Ds4等组成，滤波电路由Lf、Cf组成。本实用新型所述的一种采用软开关控制的超导磁体电源，该电源装置能实现软开关控制且低压侧开关管较少，效率高，其次由于采用高频变压器进行隔离，降低体积。

Description

一种采用软开关控制的超导磁体电源

技术领域

本实用新型涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种采用软开关控制的超导磁体电源。

背景技术

超导磁体因其极低的电损耗、高磁场和高稳定性等特性广泛应用于医疗、电力、工业、科研等领域，超导线圈需要一个能实现磁体能量与电网能量相交换的DC/DC电源装置，早期的超导磁体电源采用基于工频变压器隔离的可控硅整流电路，如论文“双反星型整流电路并联运行环流分析”所述的电源结构，由于该结构电路存在低频纹波，其滤波装置体积较大，现仅用于大功率超导磁体装置中；

现在的DC/DC超导电源装置一般在低压侧采用桥式电路、滤波电容和直流斩波电路组成的能量双向流动拓扑结构，如美国专利US004695932“超导储能电路”和中国专利CN102222983“一种超导储能磁体输入输出一体变流器”，该类型的电路存在以下缺点：(1)若采用工频变压器隔离，则整机体积大；若采用高频变压器隔离，则低压侧的桥式电路和直流斩波电路所用的开关管多，低压侧管压降大，整机效率低；(2)难以实现软开关灵活控制，为此，我们提出一种采用软开关控制的超导磁体电源。

实用新型内容

高效率、小型化是电能变换装置的一个重要的发展趋势，针对现有DC/DC 超导电源装置的不足，本发明设计一种基于高频变压器隔离的超导DC/DC电源装置，其低压侧开关管数量少、压降小，且支持软开关控制，效率高。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种采用软开关控制的超导磁体电源，包括高频变压器、高压侧桥式电路、低压侧整流电路、LC滤波电路与磁体线圈；

高压侧桥式电路由直流电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、第二电容、第三电容与第四电容组成；第一开关管反并联第一二极管后并联第一电容，第二开关管反并联第二二极管后并联第二电容，第三开关管反并联第三二极管后并联第三电容，第四开关管反并联第四二极管后并联第四电容，第一二极管阳极、第三二极管阴极与高频变压器的原边一端相连组成桥式电路的一个桥臂，第二二极管阳极、第四二极管阴极与高频变压器原边的另一端相连组成桥式电路的另一个桥臂，第一二极管阴极、第二二极管阴极与直流电容正极相连，第三二极管阳极、第四二极管阳极与直流电容负极相连；

低压侧整流电路由第一同步开关管及其体二极管、第二同步开关管及其体二极管、第三同步开关管及其体二极管、第四同步开关管及其体二极管组成组成，第一同步二极管与第二同步二极管反向串联，串联后的一端连接高频变压器低压侧的上端口，另一端连接滤波电感输入端，第三同步二极管与第四同步二极管反向串联，串联后的一端连接高频变压器低压侧的下端口，另一端也连接滤波电感输入端，滤波电感的输出端口与滤波电容的上端口及超导磁体线圈正极端相连，滤波电容的下端口、高频变压器低压侧中间输出端口与磁体线圈的负极端相连。

优选的，所述高压侧桥式电路的开关管采用全控型器件且采用软开关控制。

优选的，所述高频变压器采用副边带中间抽头的三绕组变压器。

优选的，所述低压侧整流电路的各个支路至少有两个反向串联的开关管，且至少有一个全控型器件。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

该电源采用一体化的充放电拓扑结构，基于高频变压器隔离，体积小；实现软开关控制，并在低压大电流的磁体负载侧使用较少的开关管，降低了开关管的损耗，效率高。

附图说明

图1为本实用新型一种采用软开关控制的超导磁体电源拓扑结构框图；

图2为本实用新型一种采用软开关控制的超导磁体电源实施例1的电路原理图；

图3为本实用新型一种采用软开关控制的超导磁体电源实施例2的电路原理图；

图4为现有技术美国专利US004695932的原理图；

图5为现有技术中国专利CN102222983的原理图。

图中；1、高压侧桥式电路；2、低压侧整流电路；Q1、第一开关管；Q2、第二开关管；Q3、第三开关管；Q4、第四开关管；D1、第一二极管；D2、第二二极管；D3、第三二极管；D4、第四二极管；C1、第一电容；C2、第二电容；C3、第三电容；C4、第四电容；Qs1、第一同步开关管；Ds1、第一同步二极管；Qs2、第二同步开关管；Ds2、第二同步二极管；Qs3、第三同步开关管；Ds3、第三同步二极管；Qs4、第四同步开关管；Ds4、第四同步二极管； Cf、滤波电容；Lf、滤波电感；Cbus、直流电容；Cb、隔直电容。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。

一种采用软开关控制的超导磁体电源，包括高频变压器T1、高压侧桥式电路1、低压侧整流电路2、LC滤波电路和磁体线圈Lcoil；

高压侧桥式电路1由直流电容Cbus、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管 D3、第四二极管D4、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3与第四电容C4 组成；第一开关管Q1反并联第一二极管D1后并联第一电容C1，第二开关管 Q2反并联第二二极管D2后并联第二电容C2，第三开关管Q3反并联第三二极管D3后并联第三电容C3，第四开关管Q4反并联第四二极管D4后并联第四电容C4，第一二极管D1阳极、第三二极管D3阴极与高频变压器T1的原边一端相连组成桥式电路的一个桥臂，第二二极管D2阳极、第四二极管D4阴极与高频变压器T1原边的另一端相连组成桥式电路的另一个桥臂，第一二极管D1 阴极、第二二极管D2阴极与直流电容Cbus正极相连，第三二极管D3阳极、第四二极管D4阳极与直流电容Cbus负极相连；

低压侧整流电路2由第一同步开关管Qs1及其体二极管Ds1、第二同步开关管Qs2及其体二极管Ds2、第三同步开关管Qs3及其体二极管Ds3、第四同步开关管Qs4及其体二极管Ds4组成，第一同步二极管Ds1与第二同步二极管Ds2反向串联，串联后的一端连接高频变压器T1低压侧的上端口，另一端连接滤波电感Lf输入端，第三同步二极管Ds3与第四同步二极管Ds4反向串联，串联后的一端连接高频变压器T1低压侧的下端口，另一端也连接滤波电感Lf输入端，滤波电感Lf的输出端口与滤波电容Cf的上端口及超导磁体线圈Lcoil正极端相连，滤波电容Cf的下端口、高频变压器T1低压侧中间输出端口与磁体线圈Lcoil的负极端相连。

高压侧桥式电路1的开关管采用全控型器件且采用软开关控制；高频变压器T1采用副边带中间抽头的三绕组变压器；低压侧整流电路2的各个支路至少有两个反向串联的开关管，且至少有一个全控型器件。

磁体充电时，Q1～Q4、D1～D4、C1～C4等组成的高压侧桥式电路1采用移相控制实现逆变功能，变压器T1、Qs1～Qs4组成整流电路将高频交流电转换成直流电路给磁体充电，控制Q1～Q4的通断占空比控制磁体的充电速度；磁体放电时，Qs1～Qs4、D1～D4等组成斩波电路，Qs1～Qs4将磁体的直流电转换成高频交流电，变压器T1、D1～D4等将其转换成直流电给高压侧电容充电，通过控制Qs1～Qs4的通断占空比控制磁体的放电速度。

实施例1

参照图2，Q1～Q4均采用MOSFET，D1～D4分别为Q1～Q4反并联的二极管，C1～C4分别为Q1～Q4的寄生电容或外加电容；Qs1、Qs2、Qs3、Qs4选用同步整流管，Ds1、Ds2、Ds3、Ds4分别为其反并联二极管。下面分别按充电和放电两种工作模式分析具体的工作原理与过程：

有以下12种工作状态。

设初始状态高压侧Q1、Q4开通，Q2、Q3关断，原边电流回路为 Cbus-Q1-C_b-T1-Q4-Cbus；低压侧Qs1、Qs2导通，Qs3、Qs4关断，变压器低压侧电流回路为T1-Qs1-Qs2-L_f-L_coil-T1。

t₀-t₁时刻：t₀时刻关断Q4，因电容C4的钳位作用，Q4可近似为零电压关断。此阶段C4、C2与变压器T1谐振，C4充电，C2放电。C4的充电回路为 Cbus-Q1-Cb-T1-C4-Cbus，C2的放电回路为C2-Q1-Cb-T1-C2。在t₁时刻当C2 放电完成，Q2体二极管D2自然导通。

t₁-t₂时刻：D2导通后，原边电流续流路径为D2-Q1-Cb-T1-D2。开通Q2， Q2为零电压开通。

t₂-t₃时刻：t₂时刻，关断Q1、开通Qs3、Qs4，Q1近似零电压关断。此阶段C3、C1与变压器T1谐振，C1充电，C3放电。C1的充电回路为 C1-Cb-T1-Q2-C1，C3的放电回路为C3-Cb-T1-Q2-Cbus-C3。当C3放电完成， Q3体二极管D3自然导通。Qs3、Qs4开通后其所在支路电路电流i_Q3、4逐渐增加，Qs1、Qs2所在支路电流i_Q1、2逐渐减小，变压器副边短路。

T₃-t₄时刻：D3导通后，开通Q3，Q3为零电压开通。因MOSFET可以反向通流，因而电流路径为Cbus-Q3-Cb-T1-Q2-Cbus，此时变压器原边电压反向加在变压器漏感上，原边电流快速减少到0。

t₄-t₅时刻：原边电流减到0后开始反向增大，电流回路为Cbus-Q2-T1-Cb-Q3-Cbus，直到原边电流反向增加到足以维持负载电流。同时低压侧电流i_Q1、2继续减少，i_Q3、4继续增大。

t₅-t₆时刻：i_Q1、2较小时关断Qs1、Qs2，Qs3、Qs4通流，开始反向能量输出。后半周期的工作原理与前半期周期相同，此处不在叙述。

(2)放电时，Qs1、Qs2、Qs3、Qs4改变磁体电流的续流路径，将磁体电流转换成高频交流电经Q1(D1)、Q2(D2)、Q3(D3)、Q4(D4)等整流成直流给高压侧电容充电，整个过程一共分8种工作状态。

假设初始状态低压侧Qs3、Qs4导通，电流回路为L_coil-T1-Qs3-Qs4-L_f-L_coil；高压侧Q1、Q4导通，电流回路为T1-Cb-Q1-Cbus-Q4-T1。

t₀-t₁时刻：关断Q1、Q4，同时刻D1、D4续流导通，Q1、Q4为零电压关断，电流回路为T1-Cb-D1-Cbus-D4-T1。

t₁-t₂时刻：开通Qs1、Qs2，因变压器存在漏感，流过Qs1、Qs2的电流逐渐增加，Qs1、Qs2近似零电流开通。此阶段变压器低压侧短路，Qs1、Qs2和 Qs3、Qs4两支路电流逐渐向磁体电流一半的方向变化；高压侧变压器漏感承受反向电压，电流迅速减小到0后，D1、D2关断。

t₂-t₃时刻：关断Qs3、Qs4，低压侧电流回路为L_coil-T1-Qs1-Qs2-L_f-L_coil。高压侧二极管D2、D3承受反向电压开通，高压侧电流回路为 T1-D2-Cbus-D3-Cb-T1。

t₃-t₄时刻：D2、D3导通后开通Q2、Q3，Q2、Q3为零电压开通，Q2、Q3 导通后D2、D3自然关断，高压侧电流回路为T1-Q2-Cbus-Q3-Cb-T1。后半周期与前半周期t₀-t₄的工作原理相同，此处不再叙述。

实施例2

参照图3，Q1～Q4均采用IGBT，D1～D4分别为Q1～Q4反并联的二极管， C1～C4分别为Q1～Q4的寄生电容或外加电容；Qs1、Qs3选用MOSFET管，Ds1、 Ds3分别为其反并联二极管；Ds2、Ds4选用二极管。下面分析其工作原理与过程：

(1)充电电路采用移相全桥的控制方式，Q2、Q4所在桥臂为超前臂，Q1、 Q3所在桥臂为滞后臂，整个过程一共分12种工作状态。

设初始状态高压侧Q1、Q4开通，Q2、Q3关断，原边电流回路为 Cbus-Q1-C_b-T1-Q4-Cbus；低压侧Qs1、Ds2导通，Qs3、Ds4关断，变压器低压侧电流回路为T1-Qs1-Ds2-L_f-L_coil-T1。

t₀-t₁时刻：t₀时刻关断Q4，因电容C4的钳位作用，Q4可近似为零电压关断。此阶段C4、C2与变压器T1谐振，C4充电，C2放电。C4的充电回路为 Cbus-Q1-Cb-T1-C4-Cbus，C2的放电回路为C2-Q1-Cb-T1-C2。当C2放电完成， Q2体二极管D2自然导通。

t₁-t₂时刻：D2导通后，开通Q2，Q2为零电压开通。原边电流续流路径为 D2-Q1-Cb-T1-D2。

t₂-t₃时刻：t₂时刻，关断Q1，开通Qs3。与前述分析类似，Q1近似为零电压关断。此阶段C3、C1与变压器T1谐振，C1充电，C3放电。C1的充电回路为C1-Cb-T1-D2-C1，C3的放电回路为C3-Cb-T1-D2-Cbus-C3。当C3放电完成，Q3体二极管D3自然导通。谐振过程中变压器电压反向，低压侧Ds4正向导通，低压侧Qs1、Ds2与Qs3、Ds4两支路并联导通，变压器低压侧短路。

t₃-t₄时刻：D3导通后，开通Q3，Q3为零电压开通。电流路径为 Cbus-D3-Cb-T1-D2-Cbus，变压器原边电压反向加在漏感上，其电流快速减少到0。

t₄-t₅时刻：原边电流减到0后开始反向增大，电流回路为Cbus-Q2-T1-Cb-Q3-Cbus。Ds2承受电流逐渐降为0后关断，低压侧电流回路为T1-Qs3-Ds4-L_f-L_coil-T1。

t₅-t₆时刻：关断Qs1，Qs1零电流关断，Qs3、Ds4通流，开始反向能量输出。后半周期的工作原理与前半期周期相同，此处不在叙述。

(2)放电时，Qs1、Ds2、Qs3、Ds4改变磁体电流的续流路径，将磁体电流转换成高频交流电经D1、D2、D3、D4等整流成直流给高压侧电容充电。高压侧IGBT电流不能反向，没有反并联二极管向其换流的过程，因而整个过程分6种工作状态。

假设初始状态低压侧Qs3、Ds4导通，电流回路为L_coil-T1-Qs3-Ds4-L_f-L_coil；高压侧二极管D1、D4导通，电流回路为T1-Cb-D1-Cbus-D4-T1。

t₀-t₁时刻：开通Qs1，因变压器存在漏感，流过Qs1、Ds2的电流逐渐增加，Qs1、Ds2近似零电流开通。变压器低压侧短路，Qs1、Ds2和Qs3、Ds4 两支路电流逐渐向磁体电流一半的方向变化。

t₁-t₂时刻：t₁时刻，变压器高压侧漏感承受反向电压，电流下降到0后， D1、D4关断。

t₂-t₃时刻：关断Qs3，低压侧电流回路为L_coil-T1-Qs1-Ds2-L_f-L_coil。高压侧二极管D2、D3承受正向电压导通。后半周期与前半周期t₀-t₃的工作原理相同。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种采用软开关控制的超导磁体电源，其特征在于，包括高频变压器T1、高压侧桥式电路(1)、低压侧整流电路(2)、LC滤波电路与磁体线圈Lcoil；

高压侧桥式电路(1)由直流电容(Cbus)、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)与第四电容(C4)组成，第一开关管(Q1)反并联第一二极管(D1)后并联第一电容(C1)，第二开关管(Q2)反并联第二二极管(D2)后并联第二电容(C2)，第三开关管(Q3)反并联第三二极管(D3)后并联第三电容(C3)，第四开关管(Q4)反并联第四二极管(D4)后并联第四电容(C4)，第一二极管(D1)阳极、第三二极管(D3)阴极与高频变压器T1的原边一端相连组成桥式电路的一个桥臂，第二二极管(D2)阳极、第四二极管(D4)阴极与高频变压器T1原边的另一端相连组成桥式电路的另一个桥臂，第一二极管(D1)阴极、第二二极管(D2)阴极与直流电容(Cbus)正极相连，第三二极管(D3)阳极、第四二极管(D4)阳极与直流电容(Cbus)负极相连；

低压侧整流电路(2)由第一同步开关管(Qs1)及其体二极管(Ds1)、第二同步开关管(Qs2)及其体二极管(Ds2)、第三同步开关管(Qs3)及其体二极管(Ds3)、第四同步开关管(Qs4)及其体二极管(Ds4)组成，第一同步二极管(Ds1)与第二同步二极管(Ds2)反向串联，串联后的一端连接高频变压器T1低压侧的上端口，另一端连接滤波电感Lf输入端，第三同步二极管(Ds3)与第四同步二极管(Ds4)反向串联，串联后的一端连接高频变压器T1低压侧的下端口，另一端也连接滤波电感Lf输入端，滤波电感Lf的输出端口与滤波电容Cf的上端口及超导磁体线圈Lcoil正极端相连，滤波电容Cf的下端口、高频变压器T1低压侧中间输出端口与磁体线圈Lcoil的负极端相连。

2.根据权利要求1所述的一种采用软开关控制的超导磁体电源，其特征在于：所述高压侧桥式电路(1)的开关管采用全控型器件且采用软开关控制。

3.根据权利要求1所述的一种采用软开关控制的超导磁体电源，其特征在于：所述高频变压器T1采用副边带中间抽头的三绕组变压器。

4.根据权利要求1所述的一种采用软开关控制的超导磁体电源，其特征在于：所述低压侧整流电路(2)的各个支路至少有两个反向串联的开关管，且至少有一个全控型器件。

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