專利名稱：多直流通道變流器的直流母線充電電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力電子變換技術領域中多直流通道變流器的直流母線充電電路，特別涉及一種含有DC/DC和DC/AC兩次變換的多直流通道變流器的直流母線充電電路， 可廣泛用于充電器、適配器、開關電源、蓄電池等設備的充放電測試電路中。
背景技術：
針對現有的包含DC/DC和DC/AC兩次變換的變流器，對應其充電工作時的直流母線充電電路通常具有如下特點并網開關兩端并聯有軟啟電阻，當要啟動時先讓電流流過軟啟電阻，軟啟電阻的阻值越大，則軟啟電流越小，從而實現減小軟啟電流的目的。但是在并網的瞬間，由于并網開關兩側的壓差較大，因此沖擊電流也較大，另外， 如果選用阻值較小的軟啟電阻，由于電網側交流濾波電容和隔離變壓器的存在，則軟啟電流較大，對軟啟電阻的散熱要求相應較高；如果選用較大功率的軟啟電阻，盡管可以減小軟啟電流，但增加了電路的體積和成本。
實用新型內容為了解決上述問題，本實用新型提供了一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，既實現了較小的啟動電流，使得散熱設計較為容易，又實現了較小的并網沖擊電流，可廣泛用于直流負載的充電過程，減小對直流負載的沖擊，可減小對直流負載和電網的沖擊。本實用新型所采用的主要技術方案是一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，包括主電路，所述主電路包括依次連接的DC/DC變換電路、DC/AC變換電路和并網開關，所述DC/DC變換電路包括多條相互獨立的直流通道，至少一條所述直流通道為其上設有直流斬波電路的斬波直流通道，所述直流通道的輸入端為負載連接端，輸出端設有用于形成其輸出端電壓的直流母線電容，直流母線電容可用于能量緩沖和直流濾波。所述直流通道的輸出端連接所述DC/AC變換電路的 DC端，所述并網開關的一端連接所述DC/AC變換電路的AC端，另一端構成與電網或交流電源連接的電源連接端，還包括一條或多條設有軟啟開關的軟啟支路，所述軟啟支路的一端連接所述并網開關的電源連接端，另一端連接所述負載連接端，所述多條軟啟支路中不同的軟啟支路分別與不同的直流通道對應，所述一條或多條軟啟支路中至少有一條設有軟啟電阻，且至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路與所述斬波直流通道相對應，至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路上還并聯有一條或多條由相互串聯的旁路電阻和旁路開關組成的軟啟旁路，且至少有一條所述軟啟旁路與所述斬波直流通道相對應。所述DC/AC變換電路自DC端到AC端依次設有逆變橋和隔離變壓器，所述隔離變壓器優選為升壓隔離變壓器。對應同一所述直流通道的所述軟啟電阻和所述旁路電阻的阻值選取標準優選為 當所述軟啟開關和旁路開關閉合后，所述公共直流母線電容的電壓不小于所述升壓隔離變壓器內側線電壓的峰值。[0009]所述直流通道優選為兩條或三條，當有兩條時，其中至少有一條是所述斬波直流通道，當有三條時，其中至少有兩條是所述斬波直流通道。所述直流斬波電路優選由直流通道濾波電路和電子開關組件構成，所述直流通道濾波電路為L、CL、LC或LCL濾波電路，所述電子開關組件由第一功率開關管和第二功率開關管組成，所述第一功率開關管的集電極連接直流母線電容的正極端，發射極連接所述第二功率開關管的集電極和所述直流通道濾波電路的正極輸出端，所述第二功率開關管的發射極連接直流母線電容的負極端。 對于上述任意一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，還可以設置用于控制所述DC/AC變換電路的輸出使所述并網開關內側電壓與交流電網電壓同幅同相或基本同幅同相的數字控制單元。本實用新型的有益效果由于設置了軟啟支路，可以在并網之前先通過軟啟電阻將所述直流通道的輸入端接入所述交流電網，并利用交流電網對所述直流母線電容充電，一方面減小了啟動電流，相應降低了散熱要求，另一方面，在并網前實現了對直流母線電容的充電，為進一步要解決的減小并網時的沖擊電流問題作了必要的準備，設置多個軟啟支路有助于對啟動過程的優化控制。由于設置了設有直流斬波電路的斬波直流通道，可充分利用直流斬波電路的電壓變換功能改變直流母線電容電壓的大小，通常是升高直流母線電容的電壓，以盡可能地使并網開關閉合瞬間并網開關內側電壓可以與并網開關外側的電壓在大小上達到匹配。由于所述DC/AC變換電路上設有逆變橋，可以充分利用逆變橋的變換功能使得并網開關內側的電壓與外側的電壓同幅同相或基本同幅同相，即達到同步，以減小甚至消除并網開關閉合瞬間的電流沖擊。由于設置了軟啟旁路，并采用升壓隔離變壓器，在先閉合軟啟開關對直流母線電容充電以后，可以再閉合旁路開關進一步升高直流母線電容電壓，即使不通過數字控制調節所述直流斬波電路的輸出電壓，只要旁路電阻的阻值選取合適，仍然可以實現直流母線電容電壓至少不小于升壓隔離變壓器的內側線電壓的峰值，因此可以簡化系統結構、提高系統可靠性。
圖1為本實用新型的原理示意圖；圖2為直流母線充電電路的第一個實施例的原理圖；圖3為直流母線充電電路的第二個實施例的原理圖；圖4為直流母線充電電路的第三個實施例的原理圖；圖5為直流母線充電電路的第四個實施例的原理圖；圖6為直流通道的一個電路組成實施例；圖7為兩條直流通道組成boost升壓電路的一個實施例的電路圖；圖8為三條直流通道組成boost升壓電路的一個實施例的電路圖；圖9為交流接觸器接線方式示意圖；圖10為設置軟啟旁路的直流母線充電電路的一個實施例的原理圖；[0027]圖11為設置軟啟旁路的直流母線充電電路的另一個實施例的原理圖。
具體實施方式
如圖1、10、11所示，一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，包括主電路，所述主電路包括依次連接的DC/DC變換電路、DC/AC變換電路和并網開關，即該變流器內部采用DC/DC和DC/AC兩步變換。電能可以在直流負載與交流電網間雙向流動，當電能由直流負載向交流電網流動時，所述變流器處于放電工作狀態，反之則處于充電工作狀態。所述DC/ DC變換電路包括多條相互獨立的直流通道，至少一條所述直流通道為其上設有直流斬波電路的斬波直流通道，所述直流通道的輸入端為負載連接端，如蓄電池、電子負載等，輸出端設有用于形成其輸出端電壓的直流母線電容，直流母線電容可用于暫時存儲來自負載或交流電網側的電能。該輸出端連接所述DC/AC變換電路的DC端，所述并網開關的一端連接所述DC/AC變換電路的AC端，另一端構成與電網或交流電源連接的電源連接端。所述多直流通道變流器的直流母線充電電路還包括一條或多條設有軟啟開關的軟啟支路，所述軟啟支路的一端連接所述并網開關的電源連接端，另一端連接所述負載連接端，所述多條軟啟支路中不同的軟啟支路分別與不同的直流通道對應，所述一條或多條軟啟支路中至少有一條設有軟啟電阻，且至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路與所述斬波直流通道相對應，至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路上還并聯有一條或多條由相互串聯的旁路電阻和旁路開關組成的軟啟旁路，且至少有一條所述軟啟旁路與所述斬波直流通道相對應，即至少一條所述斬波直流通道所對應的軟啟支路為設有所述軟啟旁路的軟啟支路。所述軟啟支路投入工作，可以使交流電網輸出的電能經由軟啟支路和DC/DC變換電路給直流母線電容充電，由于此時并網開關尚處于斷開狀態，且所述主電路具有一定的調節輸出的能力，使得并網開關內側電壓一定程度上相對獨立于并網開關的外側電壓(即交流電網電壓)，使得調節并網開關內側電壓達到與交流電網電壓同幅同相或基本同幅同相成為可能。設置軟啟電阻則可以明顯減小啟動電流(也稱軟啟電流，軟啟動過程中流過直流通道的電流即為相應直流通道的軟啟電流)。所謂基本同幅同相是指兩幅值(或兩相位) 之間的差值在基于并網要求的相應差值容限之內。所述DC/AC變換電路自DC端到AC端依次設有逆變橋和隔離變壓器，所述逆變橋是實現DC/AC變換的核心部分，所述隔離變壓器優選為升壓變壓器。所述并網開關用于控制所述變流器的主電路是否接入所述交流電網。對應同一所述直流通道的所述軟啟電阻和所述旁路電阻的阻值選取標準為當所述軟啟開關和旁路開關閉合后，所述公共直流母線電容的電壓不小于所述升壓隔離變壓器內側線電壓的峰值。即軟啟支路投入工作后，再閉合旁路開關使軟啟旁路投入工作，可以使直流母線電容電壓進一步升高，按照上述阻值選取標準，可以將直流母線電容電壓升高到隔離變壓器內側線電壓的峰值以上，進而使得并網開關閉合瞬間并網開關內側電壓可以與其外側電壓在大小上達到匹配的程度。對于即定的所述逆變橋，在使用過程中通常不調節所述隔離變壓器的變比，而是優選調節所述逆變橋的交流輸出，改變其輸出的電壓幅值和相位，由于所述逆變橋的輸出電壓與并網開關的內側電壓存在確定的定量關系，因此調節所述逆變橋的輸出相當于間接地改變并網開關的內側電壓的幅值和相位，因此可以實現并網開關內外側電壓的同幅同相或基本同幅同相。可見，通過設置軟啟支路作為啟動過程的臨時通路，配合DC/DC變換升高直流母線電容電壓縮小并網開關內外側電壓幅值的差距，并調節逆變橋的輸出電壓的幅值和相位進一步使得并網開關內外側電壓同幅同相或基本同幅同相，可以使并網開關閉合瞬間其內外側的平穩對接，以此實現同步并網，從而減小甚至消除并網開關閉合瞬間的電流沖擊。優選地，所述直流通道為兩條或三條，當設有兩條直流通道時，全部為所述斬波直流通道，或者一條是所述斬波直流通道，另一條是所述基礎直流通道，優選為前者，構成單相全橋(或稱H橋)boost升壓電路(參見圖7)，對于設有兩條直流通道的情況，至少一條直流通道上應設有帶軟啟電阻的軟啟支路；當設有三條直流通道時，全部為所述斬波直流通道，或者其中兩條是所述斬波直流通道，一條是所述基礎直流通道，優選為前者，構成三相半橋boost升壓電路(參見圖8)，相比圖7所示電路，其升壓速度更快，對于設有三條直流通道的情況，其中至少兩條直流通道上應設有帶軟啟電阻的軟啟支路。當設有更多條直流通道時，實際應用中只需要選擇其中的2-3條直流通道并組成上述任何一種boost升壓電路即可。對應同一直流通道，所述軟啟電阻的阻值優選大于所述旁路電阻的阻值，使得后續將旁路電阻接入電路以后，相比于只有軟啟支路工作時的情形的直流母線電容電壓只是小幅度升高即達到了幅值要求。所述負載的電壓值具有較大的直流輸入范圍，因此通常采用升壓式直流斬波電路，使得并網開關閉合瞬間并網開關內側電壓與其外側電壓在大小上達到匹配。如圖6所示，優選采用由直流通道濾波電路FLT和電子開關組件(即圖中所示的橋臂)BR構成的升壓式直流斬波電路，所述直流通道濾波電路可以為L、CL、LC或LCL濾波電路，優選為LCL-T 型濾波電路，所述電子開關組件由第一功率開關管(如圖6中的Si)和第二功率開關管(如圖6中的S2)組成，所述第一功率開關管的集電極連接直流母線電容的正極端，發射極連接所述第二功率開關管的集電極和所述直流通道濾波電路的正極輸出端(即儲能電感的輸出端)，所述第二功率開關管的發射極連接直流母線電容的負極端，所述功率開關管可以是 MOS管、IGBT管、碳化硅SiC功率器件或IGCT等可控型功率開關器件，所述第一、第二功率開關管的控制輸入端(即門極端)連接所述數字控制單元的相應控制線路的控制輸出端，由此可通過脈寬調制等方式控制功率開關管的工作狀態和方式，調節斬波電路參數，在直流母線電容上形成所需要的輸出。除了所述斬波直流通道之外的其他直流通道上均設置有所述電子開關組件，其中第一功率開關管Sl和第二功率開關管S2相連接的點構成其所在直流通道的負載連接端， 所述電子開關組件的輸出端構成其所在直流通道的輸出端，為了便于表達，把這種直流通道稱為基礎直流通道(參見圖4的第二條直流通道)。前述的任意一種所述多直流通道變流器的直流母線充電電路還優選設有用于控制所述DC/AC變換電路的輸出使所述并網開關內側電壓與交流電網電壓同幅同相或基本同幅同相的數字控制單元，通過該數字控制單元調節所述逆變橋(一般為三相逆變橋)的輸出電壓幅值和相位，提高了并網同步的精度。所述并網開關內外兩側優選設有用于檢測電壓、電流參數的傳感器，以實時反饋
6并網開關內外兩側特別是外側電壓的幅值和相位情況，形成控制的閉環。所述傳感器的信號輸出端與所述數字控制單元的采樣信號輸入端連接。各個直流通道之間在DC/DC變換上是完全獨立的，因此各直流通道可以各自單獨工作，即實際應用中允許部分直流通道工作而部分直流通道停止。當所述變流器設有兩條斬波直流通道或一條斬波直流通道與一條基礎直流通道時，這兩條直流通道即可構成單相 boost升壓電路(參見含有兩條直流通道的直流母線充電電路的原理圖2-5);當設有由所述斬波直流通道和基礎直流通道組合的三條直流通道且其中至少有一條所述斬波直流通道時，這三條直流通道可構成三相boost升壓電路，升壓速度更快；當所述直流通道的條數更多時，可以組合構成多重多相的boost升壓電路。所述多直流通道變流器的直流母線充電電路可以有多種具體的實現形式，例如， 軟啟電阻和軟啟開關的相對位置可以相互調換(參見圖2和3)、部分直流通道上可以不設置濾波器(參見圖4)、部分軟啟支路上可以不設置軟啟電阻(參見圖5)，只要對于變流器整體而言，直流母線電容的電壓能夠升高到規定值即可。所述隔離變壓器的初級端或次級端還可以連接有交流通道濾波電路，用于所述 DC/AC變換電路交流側的濾波。作為電路啟動條件之一，所述DC/AC變換電路的AC端自所述交流電網進行交流取電的方式可以為三相三線制或三相四線制中的任意兩相線電壓、三相四線制中的任意一相相電壓或單獨的市電輸入電壓，取電較為方便。下面結合圖10、11，說明該變流器直流母線充電電路的工作過程(1)閉合軟啟開關，交流電流經過軟啟電阻對直流母線電容進行充電。(2)閉合旁路開關，直流母線電容電壓進一步升高，使得直流母線電容電壓至少不小于升壓隔離變壓器內側線電壓峰值。(3)三相逆變橋對直流電壓進行DC/AC變換，使得并網開關內側的電壓與并網開關外側的交流電網電壓同幅同相或基本同幅同相。(4)閉合并網開關，斷開軟啟開關，完成整個軟啟動過程。根據上述工作過程，只要選用合適阻值的旁路電阻就可以實現直流母線電容電壓至少不小于升壓隔離變壓器內側線電壓的峰值；同時由于隔離變壓器是升壓變壓器，直流母線電容電壓可以通過增加并聯的旁路電阻實現進一步升高，無需進行數字控制，即可容易地實現無沖擊軟啟動，提高了系統的可靠性。所述軟啟開關和/或旁路開關可以是現有技術下的各類可控開關，本發明中優選采用交流接觸器。由于通常情況下負載端與交流電網側壓差較大，常規的交流接觸器難以承受，因此選用設有相互串聯的多對主觸點的交流接觸器，使處于最遠端的兩個所述主觸點接入相應的軟啟支路或軟啟旁路(參見圖9所示的含有三對主觸點相互串聯形成的S型交流接觸器)，相當于提高了交流接觸器的耐壓能力。本文針對所述變流器的主電路、軟啟支路和軟啟旁路所稱的“輸入”、“輸出”是針對所述變流器處于放電工作狀態時所述變流器主電路中的電能流動方向而言的，而實際上電能可以在變流器中雙向流動，因此上述表達并不構成對電能實際流動方向的限定。所稱的“內側”是靠近負載的一側，“外側”為靠近交流電網的一側。
權利要求1.一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，包括主電路，所述主電路包括依次連接的DC/DC變換電路、DC/AC變換電路和并網開關，所述DC/DC變換電路包括多條相互獨立的直流通道，至少一條所述直流通道為其上設有直流斬波電路的斬波直流通道，所述直流通道的輸入端為負載連接端，輸出端設有用于形成其輸出端電壓的直流母線電容，輸出端連接所述DC/AC變換電路的DC端，所述并網開關的一端連接所述DC/AC變換電路的AC端， 另一端構成與電網或交流電源連接的電源連接端，其特征在于還包括一條或多條設有軟啟開關的軟啟支路，所述軟啟支路的一端連接所述并網開關的電源連接端，另一端連接所述負載連接端，所述多條軟啟支路中不同的軟啟支路分別與不同的直流通道對應，所述一條或多條軟啟支路中至少有一條設有軟啟電阻，且至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路與所述斬波直流通道相對應，至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路上還并聯有一條或多條由相互串聯的旁路電阻和旁路開關組成的軟啟旁路，且至少一條所述斬波直流通道所對應的軟啟支路為設有所述軟啟旁路的軟啟支路。
2.根據權利要求1所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于所述 DC/AC變換電路自DC端到AC端依次設有逆變橋和隔離變壓器。
3.根據權利要求2所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于所述隔離變壓器為升壓隔離變壓器。
4.根據權利要求3所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于對應同一所述直流通道的所述軟啟電阻和所述旁路電阻的阻值選取標準為當所述軟啟開關和旁路開關閉合后，所述公共直流母線電容的電壓不小于所述升壓隔離變壓器內側線電壓的峰值。
5.根據權利要求4所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于其特征在于所述直流通道為兩條或三條，當有兩條時，其中至少有一條是所述斬波直流通道，當有三條時，其中至少有兩條是所述斬波直流通道。
6.根據權利要求5所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于對應同一所述直流通道的所述軟啟電阻的阻值大于所述旁路電阻的阻值。
7.根據權利要求6所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于所述直流斬波電路由直流通道濾波電路和電子開關組件構成，所述直流通道濾波電路為L、CL、LC 或LCL濾波電路，所述電子開關組件由第一功率開關管和第二功率開關管組成，所述第一功率開關管的集電極連接直流母線電容的正極端，發射極連接所述第二功率開關管的集電極和所述直流通道濾波電路的正極輸出端，所述第二功率開關管的發射極連接直流母線電容的負極端。
8.根據權利要求1-7中任一權利要求所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路， 其特征在于設有用于控制所述DC/AC變換電路的輸出使所述并網開關內側電壓與交流電網電壓同幅同相或基本同幅同相的數字控制單元。
9.根據權利要求8所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于所述并網開關內外兩側設有用于檢測電壓、電流參數的傳感器，所述傳感器的信號輸出端與所述數字控制單元的采樣信號輸入端連接。
10.根據權利要求9所述的多直流通道變流器的直流母線充電電路，其特征在于所述軟啟開關和/或旁路開關采用設有相互串聯的多對主觸點的交流接觸器。
專利摘要本實用新型涉及一種多直流通道變流器的直流母線充電電路，其主電路包括依次連接的DC/DC變換電路、DC/AC變換電路和并網開關，DC/DC變換電路包括一條或多條相互獨立的直流通道，至少一條所述直流通道為其上設有直流斬波電路的斬波直流通道，直流通道的輸入端為負載連接端，輸出端設有用于形成其輸出端電壓的直流母線電容，負載連接端與并網開關的電源連接端之間連接有一條或多條設有軟啟開關的軟啟支路，所述一條或多條軟啟支路中至少有一條設有軟啟電阻，且至少一條設置了軟啟電阻的所述軟啟支路與所述斬波直流通道相對應。本實用新型軟啟動電流小、散熱設計容易、并網沖擊電流小，可廣泛用于直流負載的充電過程。
文檔編號H02M1/36GK202206324SQ20112033882
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月9日 優先權日2011年9月9日
發明者帥凱, 張海旺, 蔡明 申請人:北京索英電氣技術有限公司