一種有源多路隔離的輸出電源的制作方法

專利名稱：一種有源多路隔離的輸出電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力電子技術中使用的多路直流輸出電源，尤其涉及一種適用于 高電壓和大功率等場合應用的有源多路隔離的輸出電源。
背景技術：
電力電子技術的迅猛發展，使得有源多路隔離的輸出電源裝置的應用越來越廣 泛。例如，有源電力濾波器(Active Power Filter,簡稱APF)是一種用于動態抑制諧波、補 償無功功率的新型電力電子裝置。它能夠對大小和頻率都發生變化的諧波以及變化的無功 功率進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供高電壓和大功率的多路隔離輸 出電源。
請參閱圖1，圖1為現有技術中的多路隔離輸出電源的電路示意圖。如圖所示，通 常情況下，在多路隔離輸出電源的原邊電路側，由全橋電路、半橋電路、正激電路、反激電路 或其它一些電路將交流電源提供到輸入端AB，各路變壓器Tl Tn的原邊側輸入端AB直接 并聯在交流電源輸入端；而在多路隔離輸出電源的副邊電路側，每個變壓器Tl Tn隔離輸 出端輸出的交流電，經過整流裝置整流后得到直流電源，以供所連接的多路負載供電。
然而，由于隔離變壓器Tl Tn在原邊電路側均為直接并聯連接，且各路變壓器 Tl Tn副邊側所承載的負載大小不同，因此，這種連接方式會使各隔離變壓器Tl Tn原 邊側電路之間相互產生環流。此環流會使該隔離變壓器Tl Tn產生磁偏，如果該磁偏量 達到一定的閾值，就會造成隔離變壓器Tl Tn的飽和。因此，為了防止隔離變壓器Tl Tn飽和，即確保在任何情況下磁偏不會造成隔離變壓器Tl Tn飽和，隔離變壓器Tl Tn 需要增加設計余量。
下面通過圖2和圖3具體解釋一下磁偏是怎樣產生的。需要說明的是，為敘述方 便起見，圖中變壓器的數量僅為兩個，即第一變壓器Tl和第二變壓器T2。
請參閱圖2，圖2為現有技術中采用有源多路隔離輸出電源電路中的兩個變壓器 Tl和T2原邊側直接并聯的等效電路圖。其中，Lml和Lm2為并聯變壓器Tl和T2的等效激 磁電感，Vol和No2為變壓器Tl和T2副邊側經整流后的直流電壓；在隔離變壓器Tl和T2 副邊側分別串接的一個開關器件(即二極管Dl和D2)以及分別并接于有源多路隔離輸出 電源的兩個輸出端的電容Cl和C2。
請參閱圖3，圖3為圖2所示電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖。 如圖所示，Vab是加載在AB端的交流電壓波形。在t0 tl時間段內，Vab是正電壓，同時變 壓器Tl和T2原邊側的電流波形理論上為iT所示，即為正向三角波。其中，由于激磁電感 的存在，兩個變壓器Tl和T2原邊側的電流波形包含激磁電流成分iLm(iLml和iLm2)，電 流iT和iLml兩者之差為向第一變壓器副邊側導通的電流，電流iT和iLm2兩者之差為向 第二變壓器副邊側導通的電流。在tl時刻，Vab電壓突然從正向變為負向，分別向第一變壓 器Tl和第二變壓器T2副邊側導通的電流會突然截止，但由于電磁電流iLm(iLml和iLm2) 不能突變，在tl t2時刻，激磁電流iLm(iLml和iLm2)會慢慢降低直到為零，同時Vab電壓歸零。在這種情況下，如果Vab的正向面積和負向面積相等，也即滿足電磁學中的伏秒平 衡，這樣變壓器Tl和T2原邊側的激磁電流iLm(iLml和iLm2)才可以歸零，其磁芯才能激 磁復位，不會產生飽和。
然而，從圖中可以看出，兩個變壓器Tl和T2在原邊側是直接并聯在一起的，由于 這兩個變壓器Tl和T2在副邊側的輸出負載可能不同，造成Vol和Vo2的大小略有區別，這 時會造成變壓器激磁電流上升斜率的不一致，如圖3中的iLml和iLm2所示，而在電壓變負 后，即在tl t2時刻點，兩電流iLml和iLm2又以各自的下降速率下降，直到兩者電流之 和變為零(即圖中t2 t3時刻)，以及Vab歸零。但在圖中t2 t3時刻，無論iLml還是 iLm2，都沒有歸零，且電流iLm2已反向為負，因此，在兩個變壓器Tl和T2原邊側電路中相 互間形成了環流。更為糟糕的是，在下一個周期(即圖中t3 t4時刻)以及之后，iLml 和iLm2會越來越發散，直到失控。經過幾個周期變大的電流，致使磁芯中的磁通變大直到 磁芯飽和。為了防止這種現象的發生，傳統的做法為將變壓器Tl和T2的體積做得很大，以 便有很大的磁芯飽和余量，即使在激磁電流和偏磁很大的情況下，其磁芯也不會飽和。
因此，如何避免電源隔離變壓器原邊側的環流所導致的變壓器飽和，且使變壓器 及整個電源體積更小、重量更輕便，實為目前迫切需要解決的課題。發明內容
鑒于多路隔離的輸出電源原邊側的環流導致變壓器的磁芯飽和，存在變壓器的體 積和重量增加的不足，本發明通過固定變壓器原邊側的電流方向，以致各變壓器間不會因 負載的不同產生相互的環流，每個變壓器都可在一個工作周期內完好復位，因此變壓器設 計時不需要考慮余量，使變壓器的體積可以設計的很小。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下
一種有源多路隔離的輸出電源，包括連接交流母線的輸出端且原邊側電路相互 并聯的N個變壓器Tl Tn ;其中，N為大于等于2的正整數；還包括N或N-1個開關器件 SI Sn或SI Sn-1，分別串聯于N個變壓器Tl Tn的不同原邊側電路中，以限制該變 壓器Tl Tn原邊側電路的電流流通方向；其中，該變壓器Tl Tn的副邊側產生相互隔離 的N路輸出電源。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn的副邊側還包括整流電路，該整流電路對N 路輸出電源進行整流以產生相互隔離的N路直流電源。
根據本發明的構想，該交流母線所產生的交流電通過推挽電路、正激電路、反激電 路或斬波串聯隔直電路廣生。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn副邊側整流電路為半波整流、全波整流或同 步整流線路。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn原邊側的開關器件SI Sn或SI Sn-1為二極管。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn原邊側的開關器件SI Sn或SI Sn-1 為MOSFET，MOSFET由控制單元控制其通斷。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn原邊側的開關器件SI Sn或SI Sn-1 為IGBT，IGBT由控制單元控制其通斷。
根據本發明的構想，該變壓器Tl Tn原邊側的開關器件SI Sn或SI Sn-1 為繼電器。
為實現上述目的，本發明又一技術方案如下
一種有源電力濾波器，包括主功率電路，該主功率電路包括M組開關器件Kl Km 以及其配套的驅動電路，其中，M為大于等于2的正整數；還包括上述本發明的有源多路隔 離的輸出電源，輸出電源的輸入端接收電網側的交流電源，給驅動電路供電。
根據本發明的構想，該開關器件Kl Km為IGBT或MOSFET。
根據本發明的構想，該有源多路隔離輸出電源的變壓器原邊側串接的開關器件為 二極管；變壓器副邊側的整流電路為半周期不控整流電路。
從上述技術方案可以看出，所提供的有源多路隔離輸出電源中的隔離變壓器 Tl Tn原邊側電路沒有直接并聯連接，而是分別串聯了 N個開關器件SI Sn或N-1個 開關器件SI Sn-1,這些開關器件SI Sn或SI Sn-1可以限制電流的流通方向。這 樣，任意一路變壓器Tl Tn原邊側的電流方向都是固定的，不會產生相互的環流。也就是 說，每個變壓器Tl Tn都可以在一個工作周期內完好復位。在進行有源多路隔離輸出電 源電路的變壓器Tl Tn設計時，不需要考慮為防止激磁電流發散致使的磁芯出現飽和而 留有的設計余量，每個磁芯的體積較小。結果顯示，本發明所使用的變壓器比現有技術所采 用變壓器的體積可以減少70%。與其它形式的有源多路隔離輸出電源電路相比，在輸出功 率、電源性能和輸出路數相等的情況下，本發明的有源多路隔離輸出電源電路具有體積小、 重量輕、效率高、可靠性高等顯著優點。


圖1為現有技術中采用有源多路隔離輸出電源的電路示意圖2為現有技術中采用有源多路隔離輸出電源電路中的兩個變壓器原邊側直接 并聯的等效電路圖3為圖2所示電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖4.1為本發明有源多路隔離輸出電源一優選實施例的電路示意圖4. 2為本發明有源多路隔離輸出電源又一優選實施例的電路示意圖5為本發明實施例中有源兩路隔離輸出電源電路在具有兩個不同負載情況下 的環流分析示意 圖6為本發明有源多路隔離輸出電源電路應用于APF系統中的一優選實施例的電 路不意圖7為本發明多路隔離輸出電源應用于APF中的一組驅動電路局部示意圖。
具體實施方式
體現本發明特征與優點的一些典型實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的 是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明 及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。
上述及其它技術特征和有益效果，下面將結合優選實施例及附圖4至圖7對本發 明有源多路隔離輸出電源電路進行詳細說明。本發明的有源多路隔離輸出電源電路可以包括多個變壓器Tl Tn，且多個變壓器Tl Tn可以分別承載不同的負載。
請參閱圖4. 1，圖4.1為本發明有源多路隔離輸出電源一優選實施例的電路示意 圖。如圖所示，本實施例的多路輸出隔離電源主要由連接交流母線輸出端且原邊側電路相 互并聯的多個變壓器Tl Tn組成，其中，N為大于等于2的正整數。該交流母線所產生的 交流電由推挽電路、正激電路、反激電路或斬波串聯隔直電路產生。
為了限制變壓器Tl Tn各原邊側電路的電流流通方向，在本發明一優化實施例 中，與多個變壓器Tl Tn數目相同的多個開關器件SI Sn分別串聯于多路變壓器Tl Tn原邊側電路中，例如，以N等于2為例，兩個變壓器Tl和Τ2的原邊側電路分別串聯了一 個開關器件SI或S2。
在本發明的其它實施例中，多路變壓器Tl Tn各原邊側電路還可以包括N-1個 開關器件SI Sn-1，也就是說，N-1個開關器件SI Sn-1分別串接于變壓器Tl Tn的 N-1路原邊側電路中，有一路變壓器Tl Tn的原邊側電路沒有串接開關器件，同樣能達到 限制電流的流通方向的目的。
請參閱圖4. 2，圖4. 2為本發明有源多路隔離輸出電源又一優選實施例的電路示 意圖。如圖所示，在變壓器Tl的原邊側電路中沒有串接開關器件S1，N-1個開關器件S2 Sn分別串接于變壓器T2 Tn的N-1路原邊側電路中。以N等于2為例，如果變壓器Tl的 原邊側沒有串聯一個開關器件SI，變壓器T2的原邊側串聯了一個開關器件S2，同樣，由于 該開關器件S2的存在，任何一路激磁電流(無論iLml還是iLm2)都不能出現負值的情況， 即每路激磁電流都被強迫歸零。
變壓器Tl Tn原邊側電路中的開關器件SI Sn可以是二極管、可控硅整流器 (Silicon-Controlled Rectifier,簡稱 SCR)、雙向閘流管開關(The triode AC switch, 簡稱 TRIAC)、絕緣柵雙載流子晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱 IGBT)、 金屬氧化物半導體晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,簡 稱M0SFET)、繼電器、可編程單接合晶體管(Programmable Unijunction Transistor,簡稱 PUT)等任何可阻斷電路的元件。
具體地說，二極管適用于簡單電路，不需要增加其它控制器件；MOSFET元件由于 其導通壓降較小，適用于大電流場合，但需要增加額外的控制器件；IGBT耐壓較高，較適用 于高壓場合，也需要增加額外的控制器件；繼電器是機械操作，比較適用于低頻操作場合。
另外，變壓器Tl Tn的副邊側具有整流電路以產生相互隔離的多路直流電源，變 壓器Tl Tn副邊側的整流電路可以為半波整流、全波整流、同步整流等任意整流線路。
以下將以兩路隔離輸出電源電路進行工作原理分析，但不以此為限。
請參閱圖5，圖5為本發明實施例中有源多路隔離輸出電源電路在具有兩個不同 負載情況下的環流分析示意圖。與圖3中相同，圖5中的Vab同樣為變壓器Tl和T2原邊側 輸入端電壓AB，iLml和iLm2為并聯變壓器Tl和T2的等效激磁電感，Vol和Vo2為變壓器 Tl和T2副邊側經整流后的直流電壓。所不同的是，本發明實施例中的兩路變壓器Tl和T2 的原邊側電路中分別串聯了一個開關器件SI或S2，在這種情況下，交流母線電網側的電壓 Vab并沒有直接加載在變壓器Tl和T2兩端。
如圖5所不，Vab是加載在AB端的交流電壓波形。由于兩個變壓器Tl和T2輸出 端負載的不一致，會造成輸出電壓的區別，同樣會造成在t0 tl時間端激磁電流iLml和iLm2上升不一致，而在tl t3時刻，激磁電流iLml和iLm2又以各自的下降斜率下降。具 體地說，在t0 tl時間段內，Vab是正電壓，同時兩個變壓器Tl和T2原邊側的電流波形理 論上為iT所示，即為正向三角波。其中，由于激磁電感的存在，兩個變壓器Tl和T2原邊側 的電流波形包含激磁電流成分iLm(iLml或iLm2)，電流iT和iLml兩者之差為向第一變壓 器副邊側導通的電流，電流iT和iLm2兩者之差為向第二變壓器副邊側導通的電流。
在tl時刻，Vab電壓突然從正向變為負向，向副邊側導通的電流會突然截止，但由 于激磁電流iLml或iLm2不能突變，在tl t3時刻，激磁電流iLm(iLml或iLm2)會慢慢降 低直到為零，即在t2時刻，激磁電流iLml為零，在t3時刻，激磁電流iLm2為零，同時Vab電 壓歸零。也就是說，采用本發明的具有有源多路隔離輸出電源電路，由于兩個變壓器Tl和 T2原邊側電路中均分別串聯有一個開關器件SI或S2，兩個變壓器Tl和T2原邊側電路中 的激磁電流iLm(iLml和iLm2)在某一個時刻都會被強迫歸零，任何一個電流iLm(iLml或 iLm2)在任何時刻都不能變負，因此，兩個變壓器Tl和T2原邊側電路就不可能形成環流，其 磁芯才能激磁復位,不會產生飽和。
同理，如果兩個變壓器Tl和T2原邊側電路中只串聯有一個開關器件SI或S2，原 理和效果均與兩個變壓器Tl和T2原邊側電路中分別串聯有一個開關器件SI和S2相同， 在此不再贅述。
因此，在上述本發明的實施例中，隔離變壓器Tl Tn原邊側電路沒有直接并聯 連接，而是分別串聯了 N個開關器件SI Sn或N-1個開關器件SI Sn_l，這些開關器件 SI Sn或SI Sn-1可以限制電流的流通方向。這樣，任意一個變壓器Tl Tn原邊側電 路中的電流方向都是固定的，因此，原邊側電路相互間不會產生環流，每個變壓器Tl Tn 都可以在一個工作周期內完好復位，以使在變壓器Tl Tn設計時不需要考慮余量。
下面為本發明應用于APF系統中為驅動電路供電的一個較佳實施例。
請參閱圖6,圖6為本發明有源多路隔離輸出電源電路應用于APF系統中的一優選 實施例的電路示意圖。如圖所示,有源電力濾波器包括APF的主功率電路，該主功率電路由 兩套三電平逆變器并聯組合構成，并采用LCL(電感-電容-電感)濾波電路進行濾波。三 電平逆變電路常用于不間斷電源(Uninterruptible Power System,簡稱UPS)以及變頻器 等場合。
在通常情況下，該主功率電路可以包括M組開關器件Kl Km以及其配套的驅動 電路。M可以為大于等于2的正整數。三電平逆變電路需要驅動電路對每一個其所應用的 開關器件(例如，IGBT、MOSFET或其它開關器件)進行隔離驅動。在本發明的實施例中，M 的數量為24，即兩套三電平逆變器共有24組開關器件IGBT。因此，需要24組本發明的有 源多路隔離輸出電源分別給24組開關器件IGBT的驅動電路供電。
需要說明的是，圖6只示出了左側8組開關器件IGBT的驅動電路和其相配套的有 源多路隔離輸出電源結構，其它16組開關器件IGBT的驅動電路和其相配套的有源多路隔 離輸出電源結構與此相同，不再贅述。另外，從實際應用的方便性考慮，圖6中的電源電路 可配置成兩個輸出路數(每路12組)相同的有源多路隔離輸出電源分別給APF系統主功 率電路中的24組開關器件IGBT的驅動電路供電。
請參閱圖7，圖7為本發明多路隔離輸出電源電路應用于APF中的一組驅動電路 局部示意圖。雖然圖中僅示出一路有源隔離輸出電源的輸入端AB連接到電網側的交流電源輸出端，在實際使用時，24路有源多路隔離電源輸入端AB連接到一起統一由電網側的交 流電源供電；并且，該有源多路隔離輸出電源包含的24組隔離變壓器Tl T24，該隔離變 壓器Tl T24原邊側電路中分別串接有開關器件SI S24。在本發明的另一優選實施例 中，該隔離變壓器Tl T24原邊側電路中的23路原邊側電路分別串接有23個開關器件， 剩下的一路原邊側電路沒有串接開關器件，其原理和效果均與該隔離變壓器Tl T24原邊 側電路中分別串接有開關器件SI S24相同，以避免電源隔離變壓器原邊側電路相互之間 產生環流。
如圖7所示，該有源多路隔離輸出電源的輸出端與驅動電路相連并給驅動電路供 電；該驅動電路接收控制信號，驅動開關器件IGBT執行通斷操作。在本發明的實施例中，該 有源多路隔離輸出電源的開關器件SI S24均采用二極管，如圖中Dl所示；該24組開關 器件SI S24使所有隔離變壓器Tl T24在原邊側電路中沒有直接并聯，防止某些路原 邊側電路電流的反向。在隔離變壓器Tl T24的副邊側，其整流電路可以為半波整流、全 波整流、同步整流等任意整流線路，在本發明實施例中，整流電路為半周期不控整流電路; 該半周期不控整流電路包括在隔離變壓器Tl T24副邊側電路中分別串接的一個無控制 功能的整流二極管D2組成的整流電路以及在有源多路隔離輸出電源的輸出端分別并聯的 一個電容C，進行不控整流。
結果表明，采用本發明實施例中的有源多路隔離輸出電源對APF設備中的驅動電 路供電，可以極大地減少其驅動電源的體積。較之采用傳統的有源多路隔離輸出電源，整個 APF設備總體積的減少非常可觀。
以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保 護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在 本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種有源多路隔離的輸出電源，包括連接交流母線的輸出端且原邊側電路相互并聯的N個變壓器Tl Tn ;其中，N為大于等于2的正整數；其特征在于，還包括N或N-1個開關器件(SI Sn)或(SI Sn-1)，分別串聯于N個所述變壓器(Tl Tn) 的不同原邊側電路中，以限制所述變壓器(Tl Tn)原邊側電路的電流流通方向；其中，所述變壓器(Tl Tn)的副邊側產生相互隔離的N路輸出電源。
2.根據權利要求1所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述變壓器(Tl Tn) 的副邊側還包括整流電路，所述的整流電路對所述N路輸出電源進行整流以產生相互隔離的N路直流電源。
3.根據權利要求1所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述交流母線所產生的交流電通過推挽電路、正激電路、反激電路或斬波串聯隔直電路產生。
4.根據權利要求2所述的有源多路隔離的輸出電源，其特征在于，所述變壓器(Tl Tn)副邊側的整流電路為半波整流電路、全波整流電路或同步整流電路。
5.根據權利要求1至4任意一個所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述變壓器(Tl Tn)原邊側的開關器件(SI Sn)或(SI Sn-1)為二極管。
6.根據權利要求1至4任意所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述變壓器 (Tl Tn)原邊側的開關器件(SI Sn)或(SI Sn-1)為MOSFET，所述的MOSFET由控制單元控制其通斷。
7.根據權利要求1至4任意一個所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述變壓器(Tl Tn)原邊側的開關器件(SI Sn)或(SI Sn-1)為IGBT，所述的IGBT由控制單元控制其通斷。
8.根據權利要求1至4任意一個所述的有源多路隔離輸出電源，其特征在于，所述變壓器(Tl Tn)原邊側的開關器件(SI Sn)或(SI Sn-1)為繼電器。
9.一種有源電力濾波器，包括主功率電路，所述的主功率電路包括M組開關器件(Kl Km)以及其各自配套的驅動電路，其中，M為大于等于2的正整數；其特征在于，還包括權利要求I所述的有源多路隔離輸出電源，所述有源多路隔離輸出電源的輸入端接收電網側的交流電源，給所述的驅動電路供電。
10.根據權利要求9所述的有源電力濾波器，其特征在于，所述的開關器件(Kl Km) 為 IGBT 或 MOSFET。
11.根據權利要求9或10所述的有源電力濾波器，其特征在于，還包括所述的有源多路隔離輸出電源的變壓器原邊側電路中串接的開關器件為二極管；所述變壓器副邊側的整流電路為半周期不控整流電路。
全文摘要
一種有源多路隔離的輸出電源，包括連接交流母線的輸出端且原邊側電路相互并聯的N個變壓器T1～Tn，N為大于等于2的正整數；還包括N或N-1個開關器件S1～Sn或S1～Sn-1，分別串聯于N路或N-1路變壓器的原邊側電路中，以限制變壓器T1～Tn原邊側電路的電流流通方向，其中，變壓器T1～Tn的副邊側產生相互隔離的N路輸出電源。因此，本發明固定了變壓器原邊側電路中的電流流通方向，以使每個變壓器都在一個工作周期內均能完好復位，從而避免了在原邊側電路中因相互間產生環流所導致變壓器的磁芯飽和；在輸出功率、電源性能和輸出路數相等的情況下，本發明的有源多路隔離的輸出電源具有體積小、重量輕、效率高和可靠性等特點。
文檔編號H02J3/18GK103036443SQ20111029589
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者王彬, 丁習兵, 楊亞萍, 吳洪洋 申請人:臺達電子企業管理(上海)有限公司