專利名稱：1500v輸入-110v輸出的直流電源的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種電力電子技術領域的直流電源，具體是一種1500V輸入-110V輸出的機載三電平逆變的直流電源。
背景技術：
應用于機載低壓電器設備的IlOV低壓直流電源是地鐵動車高鐵低壓配電系統的重要組成部分。隨著我國地鐵動車高鐵的迅猛發展，對于低壓直流電源的需求越來越旺盛，要求也越來越高。體積小、重量輕、穩定性好、安全系數高、超高電壓輸入的低壓電源符合地鐵動車高鐵的發展要求，具有良好的應用前景。三電平逆變的直流電源具體包括兩個電壓變換環節，一個是高壓直流電輸入-低壓交流電輸出環節，另一個是低壓交流電輸入-低壓直流電輸出環節。為了完成高壓直流電輸入-低壓交流電輸出環節，可以采用單端正激電路和橋式逆變電路。單端正激電路將輸入的高壓直流電壓斬波變換為高壓脈沖電壓，該電壓送入降壓變壓器耦合至副邊，電路結構簡單，控制容易，成本較低，但是單個功率器件承受的電壓等級較大，電源利用率較低；橋式逆變電路結構經典，控制方法成熟，功能齊全，性能高，但是其成本較高，輸入電壓等級較低，無法應用于高壓大功率的場合。經過對現有適合高壓直流電壓輸入-低壓直流電壓輸出應用場合的降壓變換器技術的檢索發現，“高壓輸入低壓大電流輸出模塊電源的設計”(電力電子技術，2009年第5期43卷)和“高壓輸入低壓多路輸出的兩級式變換器”(電工技術學報，2010年第I期第25卷)中描述的單相-單相交-直變換器的結構復雜，設計難度大，輸入電壓低，功能和性能較差，很難應用于機載直流等高壓場合；中國專利號02224999. 0，專利名稱從高壓線上獲取能量的低壓電源，描述的降壓變換器采用了電流互感器和蓄電池，成本較高，且其拓撲和工作原理都極其復雜，應用難度非常高。為了完成低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出，采用全波整流電路，電源利用率高，每個功率器件僅提供輸出電流的一半，輸出直流電流波幅小，供電質量高。綜上所述，現有的高壓輸入-低壓輸出電源的輸入電壓等級低，結構和控制比較復雜，而輸入電壓較高的電源成本高，拓撲比較復雜，輸出電壓穩定性較差，均不適用于機載直流等高速和高壓的場合。隨著實踐應用的擴大，設計一種結構簡單、控制簡便、成本低廉、輸入電壓等級高、供電質量高的降壓變換器已成為本領域技術人員的當務之急。
實用新型內容本實用新型針對現有技術的上述不足，提供一種1500V輸入-110V輸出的直流電源，使其實現DC/DC變換，具有結構簡單、控制簡便、成本低廉、供電質量高等優點。本實用新型是通過以下技術方案實現的，本實用新型包括分壓電路、開關電路、整流電路和濾波電路，其中分壓電路的輸出端通過開關電路和整流電路與濾波電路的輸入端相連；所述的分壓電路為電容分壓電路四個電解電容依次串聯，這四個電容分成兩組，將電源電壓分為均等的兩份，其中第二電容和第三電容的連接點為第二節點，第一電容和第二電容的連接點為第一節點，第三電容和第四電容的連接點為第三節點；每個電容均并聯一個均壓電阻，第一至第四電阻分別為第一至第四電容均壓；第五電阻和第六電阻串聯，兩端分別與輸入電源正極和第二節點相連，為第一電容和第二電容均壓；第七電阻和第八電阻串聯，兩端分別與第二節點和輸入電源負極相連，為第三電容和第四電容均壓；所述的開關電路的結構為四個逆導開關串聯，兩端分別與輸入電源正極和負極相連，其中第二逆導開關和第三逆導開關的連接點為第四節點，第一逆導開關和第二逆導開關連接，第三逆導開關和第四逆導開關連接；所述的逆導開關的門極接受PWM脈沖控制信號，使得四個逆導開關輸出三級電平交變電壓；所述的整流電路包括兩個輸入端串聯-輸出端并聯的子整流電路，每個子整流電路具體包括降壓變壓器和全波整流器，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和兩個副邊繞組，其中兩個副邊繞組以上下區分，且與全波整流器相連，兩個降壓變壓器的原邊繞組串聯，兩端分別與第四節點和第二節點相連。所述四個逆導開關設有五個開關狀態，分別為①第一逆導開關和第二逆導開關同時開通，第三逆導開關和第四逆導開關關斷第二逆導開關和第三逆導開關同時開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；③第三逆導開關和第四逆導開關開通，第一逆導開關和第二逆導開關同時關斷；④第二逆導開關和第三逆導開關開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；⑤同一時刻只能有兩個開關導通，且第一逆導開關和第四逆導開關不能同時開通；如此循環，輸出三級電平交變電壓。所述子整流電路的電路結構完全相同，具體連接方法第一二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的正極相連，負極與輸出電源正極相連，第二二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的負極相連，負極與輸出電源正極相連，第一電感的一端與第一降壓變壓器的副邊繞組的中心抽頭相連，另外一端與輸出電源負極相連；第一、第二、第三、第四二極管的負極與輸出電源正極相連，第一至第二電感的右端與輸出電源負極相連。所述的濾波電路為電容濾波電路，第五電容和第六電容串聯，兩端分別與輸出電源正極和輸出電源負極連接，其中第五電容兩端并聯第九電阻，第六電容兩端并聯第十電阻，第九電阻和第十電阻分別為第五電容和第六電容均壓。采用上述技術方案，本實用新型結合分壓電路和開關電路將高電壓轉換為低電壓進行處理，變壓器串聯降低單個變壓器的壓降，制定了高壓輸入-低壓輸出的降壓變換器，分壓電路和開關電路結構簡單，控制方便，可將輸入高電壓降壓處理，開關應力小，變壓器設計簡化，全波整流器電源利用率高，輸出電壓穩定性好，安全系數高，能夠適應地鐵動車高鐵等高速度高電壓的應用場合。本實用新型具有設計結構新穎、通用性強、成本低等優點。
圖1為本實用新型實施例的電路原理圖。
具體實施方式
下面對本實用新型的實施例作詳細說明，本實施例以本實用新型技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所不,本實施例提供一種1500V輸入-110V輸出的直流電源,包括依次級聯的分壓電路1、開關電路2、整流電路3和濾波電路4，分壓電路I的輸出端通過開關電路2和整流電路3與濾波電路4的輸入端相連。所述的分壓電路I為電容分壓電路四個電解電容依次串聯，這四個電容分成兩組，將電源電壓分為均等的兩份，其中第二電容和第三電容的連接點為第二節點O 2，第一電容和第二電容的連接點為第一節點01，第三電容和第四電容的連接點為第三節點03 ;每個電容均并聯一個均壓電阻，第一至第四電阻分別為第一至第四電容均壓；第五電阻和第六電阻串聯，兩端分別與輸入電源正極和第二節點02相連，為第一電容和第二電容均壓；第七電阻和第八電阻串聯，兩端分別與第二節點02和輸入電源負極相連，為第三電容和第四電容均壓。·所述的電容El E4為電解電容450V/680uF。所述的電阻Rl R8為50k Ω，1%，5W。所述的開關電路2的結構為4個逆導開關SI S4串聯，兩端分別與輸入電源正極Pl和負極N2連，其中第二逆導開關S2和第三逆導開關S3的連接點為04，第一逆導開關SI和第二逆導開關S2的連接點為A，第三逆導開關S3和第四逆導開關S4的連接點為B。所述的逆導開關的門極接受PWM脈沖控制信號，使得四個逆導開關輸出三級電平交變電壓，并且使得四個逆導開關的開通和關斷順序為第一逆導開關和第二逆導開關同時開通，第三逆導開關和第四逆導開關關斷；第二逆導開關和第三逆導開關同時開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；第三逆導開關和第四逆導開關開通，第一逆導開關和第二逆導開關同時關斷；第二逆導開關和第三逆導開關開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；同一時刻只能有兩個開關導通，且第一逆導開關和第四逆導開關不能同時開通，如此循環，輸出三級電平交變電壓。所述的逆導開關SI S4為功率MOSFET 1200V/75A/100°C，逆導開關SI S4的驅動脈沖根據開關電路所需的輸出波形進行調節，開關頻率為IOkHz ；所述的整流電路3處理輸入電源的輸入電壓，包括兩個輸入端串聯-輸出端并聯的子整流電路，每個子整流電路具體包括降壓變壓器和全波整流器，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和兩個副邊繞組，其中兩個副邊繞組以上下區分，且與全波整流器相連，兩個降壓變壓器的原邊繞組串聯，兩端分別與第四節點04和第二節點02相連。所述子整流電路的電路結構完全相同，具體連接方法第一二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的正極相連，負極與輸出電源正極相連，第二二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的負極相連，負極與輸出電源正極相連，第一電感的一端與第一降壓變壓器的副邊繞組的中心抽頭相連，另外一端與輸出電源負極相連；第一、第二、第三、第四二極管的負極與輸出電源正極相連，第一至第二電感的右端與輸出電源負極相連。所述的變壓器T1、T2為降壓型，變比為2:1:1，采用多個變壓器初級串聯以提升耐壓能力。所述的二極管FRDl FRD4為反向快速恢復型600V/20A/100°C，5只并聯。所述的電感LI L2為非晶體材料，感值為500uH。所述的電阻為R25 R28 為 2. 7k Ω，1%，l/10ffo[0028]所述的濾波電路4為電容濾波電路，第五電容和第六電容串聯，兩端分別與輸出電源正極和輸出電源負極連接，其中第五電容兩端并聯第九電阻，第六電容兩端并聯第十電阻，第九電阻和第十電阻分別為第五電容和第六電容均壓。所述的濾波電路的輸出端輸出直流電壓。所述的電容E5、E6為電解電容680yF/400V ；所述的電阻R9、RlO 為 O. 5k Ω , 5%, 1/2W。本實施例中，輸入交流電壓為1500V，輸出直流電壓為110V。本實施例通過以下方式進行工作分壓電路I將高壓直流輸入電壓平均分為上下兩等分，均壓電阻保證兩等份輸入電壓穩定均衡，開關電路2受特定的脈沖信號驅動，對輸入電壓進行處理，可將高壓直流輸入電壓變成幅值為輸入電壓二分之一大小的三級電平交變電壓，大大減少了開關應力，同一時刻只能有兩個開關導通，且第一逆導開關和第四逆導開關不能同時開通，開關電路共有開關狀態1:第一逆導開關和第二逆導開關同時開通，第三逆導開關和第四逆導開關關斷；開關狀態2 :第二逆導開關和第三逆導開關同時開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；開關狀態3 :第三逆導開關和第四逆導開關開通，第一逆導開關和第二逆導開關同時關斷。以此為例，當第一逆導開關和第二逆導開關導通時輸出電壓為輸入電壓的二分之一，第一電容和第二電容供電；當第二逆導開關和第三逆導開關導通時輸出電壓為O;當第三逆導開關和第四逆導開關導通時輸出電壓為輸入電壓的負二分之一，第三電容和第四電容供電。對于開關電路，交替等占空比地選擇狀態1、2、3、2，產生合適的脈沖控制信號分別驅動四個逆導開關，可將輸入高電壓降壓后送入變壓器進行處理。開關電路2輸出的三級電平交變電壓送入串聯的降壓變壓器，并耦合至副邊，這樣，單個變壓器輸入端電壓減小，大大簡化了變壓器的設計。兩個降壓變壓器輸出低壓交流電壓分別施加各自的全波整流器，全波整流器對低壓交流電進行整流且輸出端并聯產生低壓大電流輸出。本實用新型采用電容分壓電路和開關電路，將輸入高電壓降低為原來的二分之一進行處理，變壓器串聯結構進一步分壓，實現由高壓直流電源變換為低壓交流電源，再采用全波整流器實現低壓交流電壓-低壓直流輸出，且輸出端并聯，可獲得低壓大電流輸出。該電路結構簡單，設計新穎，巧妙地將大電壓轉化為小電壓進行處理，開關應力大大減小，變壓器的設計簡化，成本下降，采用全波整流器提高了電源利用率，保證了供電質量，控制器設計也并不復雜，已獲得仿真分析和實驗初步驗證。而現有的降壓變換器方案的不足之處包括輸入電壓等級太低，難以做到大功率化，電路穩定性差，效率較低，結構復雜，控制繁瑣，不易實現。盡管本實用新型的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本實用新型的限制。在 本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本實用新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本實用新型的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求1.一種1500V輸入-110V輸出的直流電源，包括分壓電路、開關電路、整流電路和濾波電路，其中分壓電路的輸出端通過開關電路和整流電路與濾波電路的輸入端相連；其特征在于所述的分壓電路為電容分壓電路四個電解電容依次串聯，這四個電容分成兩組，將電源電壓分為均等的兩份，其中第二電容和第三電容的連接點為第二節點(02)，第一電容和第二電容的連接點為第一節點(01)，第三電容和第四電容的連接點為第三節點(03);每個電容均并聯一個均壓電阻，第一至第四電阻分別為第一至第四電容均壓；第五電阻和第六電阻串聯，兩端分別與輸入電源正極和第二節點(02)相連，為第一電容和第二電容均壓； 第七電阻和第八電阻串聯，兩端分別與第二節點(02)和輸入電源負極相連，為第三電容和第四電容均壓；所述的開關電路的結構為四個逆導開關串聯，兩端分別與輸入電源正極和負極相連， 其中第二逆導開關和第三逆導開關的連接點為第四節點(04)，第一逆導開關和第二逆導開關連接，第三逆導開關和第四逆導開關連接；所述的逆導開關的門極接受PWM脈沖控制信號，使得四個逆導開關輸出三級電平交變電壓；所述的整流電路包括兩個輸入端串聯-輸出端并聯的子整流電路，每個子整流電路具體包括降壓變壓器和全波整流器，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和兩個副邊繞組， 其中兩個副邊繞組以上下區分，且與全波整流器相連，兩個降壓變壓器的原邊繞組串聯，兩端分別與第四節點(04)和第二節點(02)相連。
2.根據權利要求1所述的1500V輸入-110V輸出的直流電源，其特征是，所述四個逆導開關設有五個開關狀態，分別為①第一逆導開關和第二逆導開關同時開通，第三逆導開關和第四逆導開關關斷；②第二逆導開關和第三逆導開關同時開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷；③第三逆導開關和第四逆導開關開通，第一逆導開關和第二逆導開關同時關斷第二逆導開關和第三逆導開關開通，第一逆導開關和第四逆導開關同時關斷； ⑤同一時刻只能有兩個開關導通，且第一逆導開關和第四逆導開關不能同時開通。
3.根據權利要求1或2所述的1500V輸入-110V輸出的直流電源，其特征是，所述子整流電路的電路結構完全相同，具體連接方法第一二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的正極相連，負極與輸出電源正極相連，第二二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的負極相連，負極與輸出電源正極相連，第一電感的一端與第一降壓變壓器的副邊繞組的中心抽頭相連，另外一端與輸出電源負極相連；第一、第二、第三、第四二極管的負極與輸出電源正極相連，第一至第二電感的右端與輸出電源負極相連。
4.根據權利要求1或2所述的1500V輸入-1IOV輸出的直流電源，其特征是，所述的濾波電路為電容濾波電路，第五電容和第六電容串聯，兩端分別與輸出電源正極和輸出電源負極連接，其中第五電容兩端并聯第九電阻，第六電容兩端并聯第十電阻，第九電阻和第十電阻分別為第五電容和第六電容均壓。
5.根據權利要求4所述的1500V輸入-110V輸出的直流電源，其特征是，所述的濾波電路的輸出端輸出直流電壓。
專利摘要本實用新型公開一種1500V輸入-110V輸出的直流電源，包括分壓電路、開關電路、整流電路和濾波電路，分壓電路的輸出端通過開關電路和整流電路與濾波電路的輸入端相連。所述分壓電路和開關電路兩端分別與電源的正極和負極相連，整流電路為兩個降壓變壓器串聯，兩端與開關電路的輸出端相連，整流電路的后級為兩個全波整流器并聯，濾波電路為電容濾波電路，兩端分別連接整流器的兩個輸出端。本實用新型輸入電壓等級高，輸出直流電壓穩定，電路結構簡單，開關應力小，變壓器設計簡化，電源利用率高，供電質量好，穩定性和安全系數較高，成本低，適合地鐵動車高鐵等高壓高速的應用場合。
文檔編號H02M3/335GK202840962SQ20122012433
公開日2013年3月27日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者陸飛, 王男, 楊喜軍 申請人:上海交通大學