CN101013850B - 采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源 - Google Patents

Abstract

一种采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源，其中的IGBT智能电源模块(2)将蓄电池(1)提供的直流电压转换成一个双极性的方波电压；电源主控制板(12)输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路(10)，通过驱动电路(10)的光耦电路的隔离后，输出至IGBT智能电源模块(2)的输入端，作为控制IGBT智能电源模块(2)中的IGBT开关管的开通和关断的驱动信号；IGBT智能电源模块(2)输出一个幅值和频率相对恒定的谐振电流，此电流经过高频变压器(4)的变换，并经高压整流模块(5)的整流，变换成一个幅值和频率相对恒定的单极性的脉动的电流，对高压电容器(7)进行恒流充电。

Description

采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源

技术领域

本发明涉及一种高压电容器充电电源，特别涉及一种采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源。

背景技术

高压直流电源有着广泛的应用领域。例如，在电力系统中广泛地用于高压电气设备(如电力系统避雷器、电力电缆、变压器绕组及发电机的现场试验)的直流耐压和泄漏试验设备中；在工业中用于环保的静电除尘、污水处理、激光器等设备中；在医学方面用于X光机、CT等大型设备中；以及高能物理、等离子体物理、脉冲点火等科学技术领域。上述高压直流电源中常常使用高压电容器作为储能元件，高压电容器的充电电源成为这些高压直流电源中的一个重要组成部分。

传统的高压电容器充电电源的充电控制方式可以分为：(1)、工频恒压充电：充电电压恒定，充电后期电容电压上升缓慢，属于非恒流充电方式；(2)、工频变压充电：充电电压随着电容电压的近似线性上升，属于恒流充电方式；(3)、工频L-C谐振恒流高压充电方式：通过L-C谐振回路产生谐振，产生一个恒定的电流对储能电容充电，高压电容器上的电压近似线性上升。充电回路没有限流电阻，充电效率比较高。这种充电方式比较成熟，电路简单，适合于大功率场合。由于上述这些工频充电方式由于充电电源工作在低频状态，所以充电电源存在着体积庞大、设备笨重、自动化程度低等弊端。

随着现代电力电子的发展，高频开关器件的出现，可以利用开关电源技术实现小型化大功率的充电电源，从而满足充电电源的高工作频率、高功率、高效率、高度自动化、小型化等要求。利用电路的串联谐振，可以实现高频的谐振恒流充电方式。利用高频开关器件，电源可以工作在高频状态下，这样，可以减小电源中高压变压器的体积，从而进一步减小电源的体积，满足电源小型化的要求。适当控制电源的工作频率和电源变频电路的开关脉冲的宽度，使电源的高频开关器件工作在ZCS(零电流开关)或ZVS(零电压开关)状态下，这样，就可以减小开关器件的损耗，提高电源的工作频率，而满足电源高功率和高效率的要求。

在充电电源的一般应用场合，充电电源的供电电源都是一个相对恒定的交流电源，例如单相或三相市电电源，因而可以不考虑供电电源的电压波动对充电电源的控制的影响。在充电电源的一些特殊应用场合，如在某些不可能取得市电或者很难取得市电的应用场合，要求充电电源便于携带和移动，这时，可以考虑采用蓄电池作为充电电源的供电电源。蓄电池经过一次充电直至充满状态，可以多次重复使用，直至蓄电池电压下降到一定的大小时，才可以停止使用，再进行充电。蓄电池使得电能能够储存，还可以重复使用，并且便于携带和移动。因此，在一些特殊的应用场合，采用蓄电池供电的高压电容器充电电源，有许多优势。在这些特殊的应用场合，为了减小充电电源的体积，提高充电速度，采用谐振控制方式的高频恒流充电方式，是蓄电池供电的高压电容器充电电源的控制方式的首选。

发明内容

本发明的目的是满足高压电源的某些特殊的应用场合要求，如便于携带和移动，提供一种以蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源。

本发明包括蓄电池，IGBT智能电源模块(IPM模块)，谐振电容，高频变压器，高压整流模块，控制电源模块，电源主控制板，控制面板，驱动电路，高压分压器，电流传感器和接地极。

IGBT智能电源模块将蓄电池提供的直流电压转换成一个双极性的方波电压；电源主控制板输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路，通过驱动电路的光耦电路隔离后，输出4路方波至IGBT智能电源模块的输入端，将这4路方波信号作为控制IGBT智能电源模块中的IGBT开关管的开通和关断的驱动信号；IGBT智能电源模块输出一个幅值和频率相对恒定的谐振电流，此电流经过高频变压器的变换，并经过高压整流模块的整流作用，变换成一个幅值和频率相对恒定的单极性的脉动的电流，对高压电容器进行恒流充电。

蓄电池为一个直流输出电压在350V～410V之间变化的直流电源。IGBT智能电源模块内部包括4个IGBT开关管，以及相应的过流、短路和过热保护电路。IGBT智能电源模块内部的所有的电路元件封装在一起。IGBT智能电源模块的直流输入端和蓄电池的输出端之间通过电缆进行连接。IGBT智能电源模块的交流输出端的谐振电路是由谐振电容、高频变压器的低压侧线圈串联而成的。IGBT智能电源模块和驱动电路之间通过一个16针的能够插拔的连接器来进行连接的。IGBT智能电源模块的功能是，将蓄电池提供的直流电压转换成一个双极性的方波电压。

驱动电路输出的4路方波分别通过光耦输出至IGBT智能电源模块，分别去控制IGBT智能电源模块中的4个IGBT开关管的开通和关断。IGBT智能电源模块中产生的过流、短路或过热保护信号分别通过光耦输出至电源主控制板中相应的保护电路，发出控制指令关断IGBT智能电源模块的驱动脉冲，使IGBT智能电源模块停止工作，而起到保护IGBT智能电源模块的作用。

谐振电容和高频变压器的低压侧线圈的漏感共同决定了电路的谐振频率。高频变压器的高压侧线圈的两个输出端和高压整流模块的交流输入端相连。高压整流模块的直流输出的高压端，通过高压电缆和高压电容器的高压端相连；高压整流模块的直流输出端的接地端与高压电容器的接地端一起，通过接地线连接到接地极上。控制IGBT智能电源模块中的IGBT开关管的开关频率和驱动脉冲的宽度，IGBT智能电源模块输出一个幅值和频率相对恒定的谐振电流。这个电流经过高频变压器的变换后，并经过高压整流电路的整流作用，最后变换成一个幅值和频率相对恒定的单极性的脉动的电流，从而实现高压电容器的恒流充电过程。

控制电源模块是一个DC-DC电源模块，控制电源模块和蓄电池通过供电电缆连接；控制电源模块将蓄电池的输出的直流电压变化成一个恒定的直流24V电压，控制电源模块分别通过供电电缆与电源主控制板和驱动电路连接，为电源主控制板提供控制电源。电源主控制板包括IGBT智能电源模块的驱动脉冲形成电路、高压电容器的充电电压的检测和预置电路、IGBT智能电源模块的故障保护电路、IGBT智能电源模块的交流输出电流的检测电路和高压电容器的充电的启动、停止电路。IGBT智能电源模块的驱动脉冲形成电路输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路。高压电容器的充电电压的检测电路和高压分压器之间通过光纤连接。高压电容器的充电电压的预置电路和控制面板上的电位器、数显表相连接。IGBT智能电源模块的交流输出电流的检测电路和电流传感器相连接。高压分压器的高压端、低压端分别和高压电容器的高压端、接地端相连。高压分压器输出一个较低的电压，通过光纤传送到电源主控制板。高压分压器的低压端和接地极连接在一起；电流传感器检测到IGBT智能电源模块的交流输出电流的一个电压信号，并将这个信号传送到电源主控制板，作为控制和保护信号。

附图说明

图1为本发明的充电电源的电路原理图，图中：1蓄电池、2IGBT智能电源模块、3谐振电容、4高频变压器、5高压整流模块、6高压分压器、7高压电容器、8控制电源模块、9控制面板、10驱动电路、11电流传感器、12电源主控制板、13接地极。

图2为本发明的充电电源的电源主控制板的电路原理图，图中：14脉冲形成电路、15脉冲宽度调整电位器、16脉冲频率调整电位器、17比较器一、18触发器、19高压启动和停止按钮、20或门、21电流整定电位器、22比较器二、23充电电压预置电位器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的内容作进一步说明。

如图1所示，本发明包括蓄电池1、IGBT智能电源模块2、谐振电容3、高频变压器4、高压整流模块5、高压分压器6、控制电源模块8、控制面板9、驱动电路10、电流传感器11、电源主控制板12、接地极13。

蓄电池1(镉镍电池，额定电压为410V)为一个直流输出电压在350V～410V之间变化的直流电源。IGBT智能电源模块2(采用两块日本三菱公司生产的300A/1200V两单元模块)内部包括4个IGBT开关管，以及相应的过流、短路和过热保护电路。IGBT智能电源模块2内都的所有的电路元件被封装在一起。IGBT智能电源模块2的直流输入端和蓄电池的输出端之间通过电缆进行连接。IGBT智能电源模块2的交流输出端的电路是由谐振电容3、高频变压器4的低压侧线圈串联而成的。IGBT智能电源模块2和驱动电路10之间是通过一个16针的能够插拔的连接器来进行连接的。IGBT智能电源模块2的功能是，将蓄电池1提供的直流电压转换成一个双极性的方波电压。

驱动电路10输出的4路方波分别通过光耦输出至IGBT智能电源模块2，分别去控制IGBT智能电源模块2中的4个IGBT开关管的开通和关断。IGBT智能电源模块2中产生的过流、短路或过热保护信号分别通过光耦输出至电源主控制板12中相应的保护电路，发出控制指令关断IGBT智能电源模块2的驱动脉冲，使IGBT智能电源模块2停止工作，而起到保护IGBT智能电源模块2的作用。

谐振电容3和高频变压器4的低压侧线圈的漏感共同决定了电路的谐振频率。高频变压器4(变比为1∶30)的高压侧线圈的两个输出端和高压整流模块5的交流输入端相连。高压整流模块5的直流输出的高压端，通过高压电缆和待充电的高压电容器7的高压端相连；高压整流模块5(5A/20kV)的直流输出端的接地端与高压电容器7的接地端一起，通过接地线连接到接地极13上。电源主控制板输出一个具有一定频率和宽度的方波，并通过驱动电路的光耦电路的隔离后，作为控制IGBT智能电源模块2中的IGBT开关管的开通和关断的驱动信号。这时，IGBT智能电源模块2输出一个幅值和频率相对恒定的谐振电流，这个电流经过高频变压器4的变换后，并经过高压整流模块5的整流作用，最后变换成一个幅值和频率相对恒定的单极性的脉动的电流，从而实现高压电容器的恒流充电过程。

控制电源模块8是一个DC-DC电源模块，它将蓄电池I的输出的直流电压变化成一个恒定的直流24V电压，为电源主控制板12提供控制电源。如图2所示，电源主控制板12包括IGBT智能电源模块2的驱动脉冲形成电路、IGBT智能电源模块2的故障保护电路、IGBT智能电源模块2的交流输出电流的检测电路、高压电容器的充电电压的检测和预置电路、和高压电容器的充电的启动、停止电路。IGBT智能电源模块2的驱动脉冲形成电路包括脉冲形成电路14、脉冲宽度调整电位器15和脉冲频率调整电位器16。IGBT智能电源模块2的交流输出电流检测电路包括比较器一17和电流整定电位器21。高压电容器的充电电压的检测和预置电路包括比较器二22和电流整定电位器23。脉冲形成电路14输出两路驱动脉冲--驱动脉冲A和驱动脉冲B--至驱动电路10，通过脉冲宽度调整电位器15调整这两路驱动脉冲的宽度，通过脉冲频率调整电位器16调整这两路脉冲的频率。IGBT智能电源模块的交流输出电流信号，通过比较器一17和电流整定电位器21的给定电压信号进行比较。比较器一的输出端连接至或门20的一个输入端。高压电容器的电压信号，通过比较器二22和充电电压预置电位器23的给定电压信号进行比较。比较器二的输出端连接至或门20的另一个输入端。IGBT智能电源模块的故障信号，直接进入或门20的另一个输入端。或门20的输出端连接到触发器18的时钟输入端(Ck)上。高压启动和停止按钮19连接到出发器18的复位控制端(R)。触发器18的同相输出端(Q)连接到脉冲形成电路14的脉冲封锁端(15脚)。当或门20的三个输入端中的任何一路输入信号，从低电平翻转到高电平时，触发器18的同相输出端(Q)输出一个高电平，这个高电平信号，使脉冲形成电路14切断了两路驱动脉冲--驱动脉冲A和驱动脉冲B--的输出。

IGBT智能电源模块2的驱动脉冲形成电路输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路10。高压电容器的充电电压的检测电路和高压分压器6之间通过光纤连接。高压电容器的充电电压的预置电路和控制面板9上的电位器、数显表相连接。IGBT智能电源模块2的交流输出电流的检测电路和电流传感器11相连接。高压分压器6的高压端、低压端分别和高压电容器的高压端、低压端相连。高压分压器6输出一个较低的电压，通过光纤传送到电源主控制板12。高压分压器的低压端和接地极(13)连接在一起。电流传感器11检测到IGBT智能电源模块2的交流输出电流的一个电压信号，并将这个信号传送到电源主控制板12，作为控制和保护信号。

本发明充电电源给高压电容器进行恒流充电的过程如下述。

本发明的充电电源的控制箱和电源主机箱、高压电容器7在空间上进行隔离放置，防止高压电容器7在充电过程中发生意外的事故而危及操作人员的人身安全。本发明的充电电源的控制电源和主回路电源，从蓄电池1的输出端，通过电缆连接到主电源插座，而引入充电电源主机箱内。控制电源开关控制电源模块8的输入电源的通断。主回路电源开关控制主回路的电源的通断。当合上控制电源开关和主回路电源开关，本发明的电源的控制回路和主回路通电，电源工作指示灯通电点亮。可以通过充电电压预置电位器预置充电电压的大小，预置的充电电压的大小通过预置充电电压显示数显表显示出来。合上位于电源控制箱的控制面板上的电源开机和停机开关，电源的控制回路开始正常工作，控制板发出驱动脉冲，通过驱动电路10，来控制IGBT智能电源模块2的中的开关器件的通断。这时，电路开始谐振工作，高压电容器开始了充电过程。随着充电时间的延长，高压电容器的端电压逐渐升高，位于电源控制箱的控制面板上的高压电容器电压显示数显表的电压也逐渐从上升到预置的充电电压值。当高压电容器两端的电压升高到预置的充电电压时，电源主控制板12上控制电路发出控制信号将IGBT智能电源模块2关断，从而切断了高压输出引线的充电电流输出。这时，电容器充满指示灯通电点亮。按下复位开关，又可以重复另一次充电过程。

随着高压电容器7的充电次数的增多，蓄电池1的输出直流电压逐渐降低。当蓄电池的输出电压降低到350V左右时，禁止再给高压电容器7充电。只有等到再次给蓄电池充电至450V电压左右时，才能再次给高压电容器7充电。

当在高压电容器的充电过程中，电源内部发生异常故障时，电源故障指示灯通电点亮，电源控制电路切断高压充电电压输出，高压电容器充电停止。当检查确认故障得到消除后，按下复位按钮，电源恢复正常功能，又可以开始另一次充电的过程。

为了在高频大功率情况下，减小电源的高频开关器件的开关损耗，本发明在电路的控制上，采取软开关的控制方法。适当控制IGBT智能电源模块2的开关频率和触发脉冲的宽度，可以实现软开关，并实现恒流充电的目的。本发明的电源的逆变器IGBT智能电源模块2的开关频率的调整原理和方法是：定宽调频，IGBT智能电源模块2的工作频率小于谐振回路的固有频率的1/2，并采较小的脉冲宽度。由于采用软开关的控制方法，可以提高电源的工作频率(考虑到IGBT智能电源模块2的推荐的最高工作频率为20kHz左右)。

本发明具体实施例电源的相关电气参数为：蓄电池的供电电压的范围为直流350V～410V；输出电压在5kV～12kV之间连续可调；充电时间小于15s；输出电压精度为3％；输出功率为20kW(平均功率)；外观总体积小于0.1m³；充电电流为4A。

Claims (2)

1.一种采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源，包括蓄电池(1)、IGBT智能电源模块(2)、谐振电容(3)、高频变压器(4)、高压整流模块(5)、高压分压器(6)、控制电源模块(8)、控制面板(9)、驱动电路(10)、电流传感器(11)、电源主控制板(12)、接地极(13)；IGBT智能电源模块(2)将蓄电池(1)提供的直流电压转换成一个双极性的方波电压；电源主控制板(12)输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路(10)，通过驱动电路(10)的光耦电路隔离后，输出4路方波至IGBT智能电源模块(2)的输入端，将这4路方波信号作为控制IGBT智能电源模块(2)中的IGBT开关管的开通和关断的驱动信号；IGBT智能电源模块(2)输出一个幅值和频率相对恒定的谐振电流，此电流经过高频变压器(4)的变换，并经过高压整流模块(5)的整流作用，变换成一个幅值和频率相对恒定的单极性的脉动的电流，对高压电容器(7)进行恒流充电，

其特征在于IGBT智能电源模块(2)内部包括4个IGBT开关管，以及相应的过流、短路和过热保护电路；IGBT智能电源模块(2)的直流输入端和蓄电池(1)的输出端之间通过电缆连接，IGBT智能电源模块(2)的交流输出端的谐振电路由谐振电容(3)、高频变压器(4)的低压侧线圈串联而成，IGBT智能电源模块(2)和驱动电路(10)之间通过一个16针的可插拔的连接器连接；

驱动电路(10)输出的4路方波分别通过光耦输出至IGBT智能电源模块(2)，分别控制IGBT智能电源模块(2)中的4个IGBT开关管的开通和关断；IGBT智能电源模块(2)中产生的过流、短路或过热保护信号分别通过光耦输出至电源主控制板(12)中相应的保护电路，发出控制指令关断IGBT智能电源模块(2)的驱动脉冲，使IGBT智能电源模块(2)停止工作，而起到保护IGBT智能电源模块(2)的作用；

高频变压器(4)的高压侧线圈的两个输出端和高压整流模块(5)的交流输入端相连，高压整流模块(5)的直流输出的高压端，通过高压电缆和待充电的高压电容器(7)的高压端相连；高压整流模块(5)的直流输出端的接地端与高压电容器(7)的接地端一起，通过接地线连接到接地极(13)上；

控制电源模块(8)是一个DC-DC电源模块，控制电源模块(8)将蓄电池(1)输出的直流电压变化成一个恒定的直流24V电压，为电源主控制板(12)提供控制电源；IGBT智能电源模块(2)的驱动脉冲形成电路输出两路互补的PWM脉冲至驱动电路(10)；高压电容器(7)的充电电压的检测电路和高压分压器(6)之间通过光纤连接，高压电容器(7)的充电电压的预置电路和控制面板(9)上的电位器、数显表相连接；IGBT智能电源模块(2)的交流输出电流的检测电路和电流传感器(11)相连接；高压分压器(6)的高压端、低压端分别和高压电容器(7)的高压端、低压端相连，高压分压器(6)输出一个较低的电压，通过光纤传送到电源主控制板(12)；高压分压器的低压端和接地极(13)连接在一起；电流传感器(11)检测到IGBT智能电源模块(2)的交流输出电流的一个电压信号，并将这个信号传送到电源主控制板(12)，作为控制和保护信号。

2.按照权利要求1所述的采用蓄电池供电的高压电容器高频恒流充电电源，其特征在于电源主控制板(12)包括IGBT智能电源模块(2)驱动脉冲形成电路、高压电容器(7)的充电电压的检测和预置电路、IGBT智能电源模块(2)的交流输出电流的检测电路和充电电源的启动和停止电路。

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