專利名稱：直流充電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及充電技術，尤其涉及一種機車車輛用直流充電機。
背景技術：
直流IlOV充電機是電力機車和動車組車輛的重要組成部分，用于將電網電壓轉換為直流電壓，為機車車輛和動車組車輛的控制系統提供控制電源、車廂照明電源，同時還可為旅客提供安全的低壓服務電源，并可為備用電源充電。目前，電力機車或動車組上的充電機的直流輸入電壓主要包括兩種一種為來自于機車上的四象限整流器輸出的直流電壓；一種為三相交流電壓經過整流后得到的直流脈動電壓。現有充電機技術中，以直流脈動電壓作為輸入電壓的充電機中，通常在輸入側設置 大容量的直流支撐電容，通過直流支撐電容來平滑直流輸入電壓，確保輸出電壓的穩定性，避免產生較大的紋波電壓，其中，直流支撐電容為鋁電解電容或膜電容。現有充電機中，充電機前端設置的支撐電容會占用較大的體積，會導致整個充電機體積龐大，不利于減少充電機的體積和提高功率密度；同時，電容功耗大，容易發熱，導致充電機工作的可靠性較差。綜上，現有采用直流脈動電壓作為輸入電壓的充電機中，充電機輸入端設置的支撐電容會造成充電機體積過大，且采用電容會導致功耗大，充電機工作的可靠性較低，而去掉支撐電容后，直流脈動電壓會給輸出造成很大的電壓紋波，導致充電機輸出電壓中具有較大紋波電壓，輸出電壓不穩定，影響用電設備工作，甚至造成用電設備損壞。
實用新型內容本實用新型提供一種直流充電機，可有效克服現有技術中通過在充電機前端設置支撐電容，來避免輸出電壓產生較大紋波電壓帶來的問題。本實用新型提供一種直流充電機，包括將作為輸入電壓的直流脈動電壓逆變成高頻方波電壓的逆變器，所述逆變器是由開關管和電容組成的橋式逆變器；對所述高頻方波電壓進行降壓的高頻變壓器，所述高頻變壓器的輸入端與所述逆變器的輸出端連接；對經過所述高頻變壓器降壓后的方波電壓進行整流和濾波處理，輸出直流電壓的整流濾波器，所述整流濾波器的輸入端與所述高頻變壓器的輸出端連接；采集輸入電壓的第一電壓傳感器，所述第一電壓傳感器并聯連接在所述逆變器的輸入端；采集輸出電壓的第二電壓傳感器，所述第二電壓傳感器并聯連接在所述整流濾波器的輸出端；根據所述輸入電壓和輸出電壓，控制所述逆變器中開關管的占空比以維持輸出電壓在給定電壓范圍的控制電路，所述控制電路與第一電壓傳感器、第二電壓傳感器和橋式逆變器中的開關管連接。[0013]上述的直流充電機中，所述控制電路包括檢測所述輸入電壓和輸出電壓，并根據所述輸入電壓和輸出電壓輸出控制信號的控制器，所述控制器與所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器連接；在所述控制信號控制下控制所述逆變器中的開關管通斷的驅動電路，所述驅動電路與所述控制器和逆變器中的開關管連接。上述的直流充電機中，所述逆變器的輸入端還連接有輸入電路；所述輸入電路包括串聯連接的快速熔斷器、接觸器、輸入電抗和防反向二極管。上述的直流充電機中，所述橋式逆變器包括4個開關管，各開關管分別并聯有諧 振電容。上述的直流充電機中，所述整流濾波器包括由二極管組成的橋式整流電路；輸出電感和濾波電容組成的濾波電路，所述濾波電路與所述橋式整流電路連接。上述的直流充電機中，所述整流濾波器的輸出端還連接有輸出電路；所述輸出電路包括串聯連接的快速熔斷器和防反向二極管。本實用新型提供的直流充電機，通過設置電壓傳感器和控制電路，可實時采集輸入電壓和輸出電壓，并可根據輸入電壓和輸出電壓來調整逆變器中開關管的占空比，從而可調整輸出電壓的大小，確保輸出電壓維持在給定的電壓范圍，可有效提高輸出電壓的穩定性；本實用新型提供的充電機，相對于現有充電機而言，去掉了支撐電容，可有效減少充電機的體積，提高充電機的功率密度，且輸出電壓穩定，充電機工作穩定、可靠。
圖I為本實用新型實施例提供的直流充電機的電路結構示意圖；圖2為本實施例提供的直流充電機中不包括控制電路的具體實現電路結構示意圖；圖3為本實用新型實施例中控制電路的結構示意圖；圖4為本實用新型實施例中控制器根據輸入電壓和輸出電壓生成控制信號的電路實現原理示意圖。
具體實施方式
圖I為本實用新型實施例提供的直流充電機的電路結構示意圖；圖2為本實施例提供的直流充電機中不包括控制電路的具體實現電路結構示意圖。本實施例直流充電機可作為機車車輛用直流IlOV充電機，可對輸入的直流脈動電壓進行處理，輸出穩定可靠的直流電，具體地，如圖I和圖2所示，本實施例直流充電機可包括逆變器I、高頻變壓器2、整流濾波器3和控制電路4，其中，逆變器I是由開關管和電容組成的橋式逆變器，用于將作為輸入電壓的直流脈動電壓逆變成高頻方波電壓；高頻變壓器2與逆變器I的輸出端連接，用于對逆變器I輸出的高頻方波電壓進行降壓處理；整流濾波器3與高頻變壓器2的輸出端連接，用于對經過高頻變壓器2降壓后的方波電壓進行整流和濾波處理，以輸出直流電壓；逆變器I的輸入端并聯連接有第一電壓傳感器71，用于采集輸入電壓，整流濾波器3的輸出端并聯連接有第二電壓傳感器72，用于采集輸出電壓；控制電路4與第一電壓傳感器71、第二電壓傳感器72和逆變器I中的開關管連接，用于接收電壓傳感器采集的輸入電壓和輸出電壓，并可根據輸入電壓和輸出電壓控制逆變器I中開關管的通斷，即控制開關管的占空比，來調整輸出電壓的大小，使得輸出電壓可保持在給定電壓范圍，使得輸出電壓穩定，不會產生較大的紋波電壓。本實施例中，相對傳統充電機需要在輸入端設置支撐電容來確保輸出電壓的穩定性而言，本實施例通過設置電壓傳感器和控制電路，可有效對橋式逆變器中的開關管通斷進行控制，以調整開關管的占空比，確保輸出電壓的穩定，可有效克服傳統充電機因設置支撐電容造成的體積大，功耗大，充電機工作可靠性低的問題。本實施例中，控制電路4與第一電壓傳感器71、第二電壓傳感器72和逆變器I中
的開關管連接時，可通過電氣隔離連接，以確保電路的電氣性能。本實施例中，如圖I和圖2所示，逆變器I的輸入端還連接有輸入電路5，該輸入電路5可包括串聯連接快速熔斷器51和接觸器52，以及輸入電抗和防反向二極管(圖中未示出)，可避免因輸入的直流脈動電壓過大而損壞充電機，提高充電機工作的穩定性和可靠性。此外，如圖I和圖2所示，整流濾波器3的輸出端還連接有輸出電路6，該輸出電路6可包括串聯連接的快速熔斷器61和防反向二極管62，可確保連接用電負載時電路的安全性和可靠性。本實施例中，如圖2所示，逆變器I具體可由4個開關管VTA.、VTB、VTC和VTD組成，具體地，開關管為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT),且各開關管分別并聯有諧振電容Ca、Cb、Cc、Cd ;此外，在逆變器I的輸入端還可并聯有多個吸收電容Cl、C2、C3，同時，還可在逆變器I的輸出端串聯隔直電容C4。本領域技術人員可以理解，橋式逆變器是由開關管相互連接形成的橋式電路，具體電路結構和電子元件的連接方式與現有橋式逆變器電路相同或類似，在此不再贅述。本實施例中，如圖2所示，整流濾波器3可包括橋式整流電路和濾波電路，其中，橋式整流電路由整流二極管VD2、VD3、VD4和VD5組成；濾波電路由輸出電感L2和輸出濾波電容C6、C7組成，與橋式整流電路連接。本領域技術人員可以理解，整流二極管VD2、VD3、VD4和VD5可相互連接形成橋式整流電路，并通過L2和C6、C7進行濾波，從而可滿足整流濾波需要，其具體電路實現與現有整流濾波電路相同或類似。圖3為本實用新型實施例中控制電路的結構示意圖。本實施例控制電路4可接收第一電壓傳感器71采集的輸入電壓，以及第二電壓傳感器72采集的輸出電壓，并可根據輸入電壓和輸出電壓的大小，來調整逆變器I中開關管的通斷，以調節開關管的占空比，確保輸出電壓穩定在預設電壓范圍，減少紋波電壓的產生，可有效確保輸出電壓的穩定性和可靠性。具體地，如圖3所示，本實施例控制電路4具體可包括控制器41和驅動電路42，其中，控制器41與如圖2所示的第一電壓傳感器71和第二電壓傳感器72連接，可檢測電壓傳感器米集的輸入電壓和輸出電壓，同時，可根據米集的輸入電壓和輸出電壓輸出控制信號，以便驅動電路42可根據該控制信號，控制逆變器I中的開關管的通斷，調整開關管的占空t匕，以確保輸出電壓可維持在設定的電壓范圍，確保輸出電壓的穩定性和可靠性。本領域技術人員可以理解，為確保采集的輸入電壓和輸出電壓的準確性，控制器41與各電壓傳感器之間，還可設置有相應的信號處理電路，以對輸入電壓和輸出電壓進行處理，轉換成控制器41所接受的信號；此外，控制器41與驅動電路42之間也可設置有相應的信號處理電路，以將控制信號轉換為驅動電路42可接受的信號，其中，信號處理電路的具體實現與傳統信號處理電路相同或類似，在此不再贅述。本實施例中，上述的控制電路4具體可采用TI公司的TMS320F2812芯片，其主頻為150MHz，處理速度高，可有效確保輸出電壓的穩定性，確保紋波電壓調整的可靠性。下面對本實用新型實施例中控制器通過驅動電路對逆變器中的開關管進行控制的具體過程進行說明。本實施例中，控制器41可實時從第一電壓傳感器71得到采集的輸入電壓，從第二電壓傳感器72得到采集的輸出電壓，其中，輸入電壓可體現出直流脈動電壓的電壓脈動值的大小，而輸出電壓則體現出紋波電壓值的大小；控制器41可將采集的輸出電壓與設定的輸出電壓的比較結果，作為輸出電壓調節值，同時，將采集的輸入電壓與設定的輸入電壓的比較結果，作為輸入電壓調節值；綜合輸入電壓調節值和輸出電壓調節值，就可生成相應的控制信號，通過驅動電路42來控制開關管的通斷，調整開關管的占空比，進而可確保輸出電壓穩定在一定的電壓范圍。圖4為本實用新型實施例中控制器根據輸入電壓和輸出電壓生成控制信號的電路實現原理示意圖。如圖4所示，控制器41接收到輸入電壓后，就可以與設定的輸入電壓進行比較，得到輸入電壓調節值；同樣地，控制器41接收到輸出電壓后，就可以與設定的輸出電壓進行比較，得到輸出電壓調節值；調節計算單元可根據該兩個調節值的大小，就可以生成相應的控制信號，使得驅動電路可在該控制信號作用下調整逆變器中開關管的占空比，可確保輸出電壓維持在設定的電壓范圍。其中，所述的調節計算單元具體可以是通過邏輯計算電路實現，以輸出控制信號，具體地，該控制信號可以是驅動脈沖的移相角度，使得驅動電路可在該驅動脈沖下控制逆變器中開關管的通斷，使得逆變器中的開關管達到一定的占空比。本領域技術人員可以理解，由于輸出電壓與經過逆變器I處理后輸出的電壓大小有關，因此，通過根據輸出電壓和輸入電壓的大小，來實時調整逆變器I中的開關管，以使得通過逆變器I處理后的輸出電壓可保持穩定，就可以得到一個穩定的電壓輸出。也就是說，當輸入的脈動電壓處于正弦波形的波峰處即脈動電壓值最大，或者，輸出電壓值較大時，此時就可通過減小逆變器I中開關管的占空比，就可減少輸出電壓的大小，使得輸出電壓可維持在一個穩定的電壓范圍，確保輸出電壓的穩定性；相反的，當輸入的脈動電壓處于正弦波形的波谷或者輸出電壓較小時，就可增大逆變器I中開關管的占空比，提高輸出電壓的大小。可以看出，根據采集的輸出電壓和輸入電壓，通過實施例調整橋式逆變器中開關管的通斷，也就是調整開關管的占空比，就可以調整充電機的輸出電壓，使得輸出電壓可維持在一定電壓范圍，即輸出電壓紋波限制在一個很小的范圍，可有效保證充電機輸出電壓的穩定性，使得連接該充電機的用電設備使用的安全性和可靠性。本領域技術人員可以理解，如圖3所示，上述的控制電路4還可包括控制電源43，用于為控制器41和驅動電路42提供工作所需的電壓，確保控制器41和驅動電路42穩定工作。本實用新型實施例提供的充電機，可作為于機車車輛上的IlOV充電機，對輸入的直流脈動電壓進行處理，輸出穩定可靠的直流電壓，可為機車上的用電設備提供穩定、可靠的直流電源。[0043]本實用新型實施例提供的直流充電機，通過設置電壓傳感器和控制電路，可實時采集輸入電壓和輸出電壓，并可根據輸入電壓和輸出電壓來調整逆變器中開關管的占空t匕，從而可調整輸出電壓的大小，確保輸出電壓維持在給定的電壓范圍，可有效提高輸出電壓的穩定性；本實用新型提供的充電機，相對于現有充電機而言，去掉了支撐電容，可有效減少充電機的體積，提高充電機的功率密度，且輸出電壓穩定，充電機工作穩定、可靠。最后應說明的是以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限 制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。
權利要求1.ー種直流充電機，其特征在于，包括 將作為輸入電壓的直流脈動電壓逆變成高頻方波電壓的逆變器，所述逆變器是由開關管和電容組成的橋式逆變器； 對所述高頻方波電壓進行降壓的高頻變壓器，所述高頻變壓器的輸入端與所述逆變器的輸出端連接； 對經過所述高頻變壓器降壓后的方波電壓進行整流和濾波處理，輸出直流電壓的整流濾波器，所述整流濾波器的輸入端與所述高頻變壓器的輸出端連接 ； 采集輸入電壓的第一電壓傳感器，所述第一電壓傳感器并聯連接在所述逆變器的輸入端; 采集輸出電壓的第二電壓傳感器，所述第二電壓傳感器并聯連接在所述整流濾波器的輸出端； 用于根據所述輸入電壓和輸出電壓，控制所述逆變器中的開關管的占空比以維持輸出電壓在給定電壓范圍的控制電路，所述控制電路與第一電壓傳感器、第二電壓傳感器和橋式逆變器中的開關管連接。
2.根據權利要求I所述的直流充電機，其特征在于，所述控制電路包括 檢測所述輸入電壓和輸出電壓，并根據所述輸入電壓和輸出電壓輸出控制信號的控制器，所述控制器與所述第一電壓傳感器和第二電壓傳感器連接； 在所述控制信號控制下控制所述逆變器中的開關管通斷的驅動電路，所述驅動電路與所述控制器和逆變器中的開關管連接。
3.根據權利要求I所述的直流充電機，其特征在于，所述逆變器的輸入端還連接有輸入電路； 所述輸入電路包括串聯連接的快速熔斷器、接觸器、輸入電抗和防反向ニ極管。
4.根據權利要求I所述的直流充電機，其特征在于，所述橋式逆變器包括4個開關管，各開關管分別并聯有諧振電容。
5.根據權利要求I所述的直流充電機，其特征在于，所述整流濾波器包括 由ニ極管組成的橋式整流電路； 輸出電感和濾波電容組成的濾波電路，所述濾波電路與所述橋式整流電路連接。
6.根據權利要求I所述的直流充電機，其特征在于，所述整流濾波器的輸出端還連接有輸出電路； 所述輸出電路包括串聯連接的快速熔斷器和防反向ニ極管。
專利摘要本實用新型提供一種直流充電機。包括將作為輸入電壓的直流脈動電壓逆變成高頻方波電壓的逆變器，逆變器是由開關管和電容組成的橋式逆變器；對高頻方波電壓進行降壓的高頻變壓器，高頻變壓器的輸入端與逆變器的輸出端連接；對經過高頻變壓器降壓后的方波電壓進行整流和濾波處理，輸出直流電壓的整流濾波器，整流濾波器的輸入端與高頻變壓器的輸出端連接；第一電壓傳感器并聯連接在逆變器的輸入端；第二電壓傳感器并聯連接在整流濾波器的輸出端；根據輸入電壓和輸出電壓，控制逆變器中的開關管的占空比以維持輸出電壓在給定電壓范圍的控制電路。本實用新型提供的直流充電機結構簡單，實現方便，可有效減少紋波電壓的產生。
文檔編號H02J7/02GK202424280SQ201120487269
公開日2012年9月5日 申請日期2011年11月29日 優先權日2011年11月29日
發明者劉金晶 申請人:中國北車股份有限公司大連電力牽引研發中心