CN101048931A - 具有无损缓冲器的双极电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于大功率、高电压应用的具有多重整流器的隔离电力变流器，该多重整流器由不限制电压变换范围的无损缓冲电路来缓冲。

Description

具有无损缓冲器的双极电源
技术领域
本发明通常涉及开关式电力变流器，以及更具体地涉及适用于诸如等离子处理等大功率、高电压应用的隔离式dc电力变流器。
背景技术
在其中变压器绕组的输出被整流并且经电感器滤波的隔离式dc电力变流器中，该隔离式dc电力变流器的普遍问题是整流器需要某种类型的缓冲电路，以防止在整流二极管的反向恢复期间积累在各种电路电感中的能量使得二极管由于变压器绕组中的电压过冲而遭受反向击穿，其中当整流二极管关断并且存储的电感能量释放时，该电压过冲出现。该问题一般通过引导存储的能量远离具有缓冲电路的整流器来处理。连接至变压器隔离输出电路的缓冲器一般被称为次级缓冲器。
缓冲电路主要分为两类，耗散型和无损型。耗散型缓冲器将存储的能量引入电阻器。耗散型缓冲器在大的电力变流器中往往不实用，因此，已经开发了多种无损缓冲电路。无损缓冲器将存储的能量回馈给变换器输入端，变换器输出端，或其两者的组合。无损缓冲器由理想上无损的元件构成，例如二极管、有源开关、电容器和电感器。但是，实际上，所谓的无损缓冲器还是有一些功率损耗，但是它们比耗散型缓冲器的功率损耗低的多。
现有技术中使用有源开关的次级缓冲器描述在：Jung-Goo Cho etal.，“Zero-voltage and zero-current-switching full-bridge PWM converterusing secondary active clamp”，IEEE Transactions on PowerElectronics，vol.13，no.4，July 1988，pp.601-607。在缓冲电路中具有有源元件增加了电力变流器的费用和复杂性，因此，优选的是使用无源缓冲器。多种无源次级缓冲器描述在：Jung G.Cho et al.，“Novelzero-voltage and zero-current-switching(ZVZCS)full-bridge PWMconverter using a simple auxiliary circuit”，Proceedings of the IEEE 1998Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，vol.2，pp.834-839。
往往期望使用具有高输出电压的多重输出整流电路。多重整流器的结构可以提供使用缓冲电路的机会，其中该缓冲电路不能在没有多重整流器的电力变流器中实现。这种用在具有多重输出整流器的电力变流器中的特别简单的缓冲电路的实例公开于：Ashish Bendre，“NewHigh Power DC-DC Converter with Loss Limited Switching and LosslessSecondary Clamp”，Proceedings of the IEEE 2001 Power ElectronicsSpecialists Conference(PESC)，vol.1，pp.321-326。这种现有技术的电力变流器电路在图1中示出。
在图1中，双极电源BPS具有传统的移相桥式逆变器PSB，其向桥式整流器RCTA和RCTB提供ac功率。滤波电感器LFA和LFB平滑提供给滤波电容器CFA和CFB的电流中的纹波。这种类型的变流器通常工作在连续导通模式，这意味着滤波器导线中的电流连续流动，而不会在每个开关周期中间断。当移相桥式PSB逆变器不提供功率时，整流器中的二极管在开关周期的间隔期间以续流模式工作。当逆变器开始向整流器提供功率时，整流二极管关断，并且缓冲二极管DSA和DSB将整流桥的电压钳制在正输出端PT和负输出端NT之间的总输出电压。
虽然该缓冲方案简单有效，但是其具有以下缺陷，即将逆变器占空比的可容许工作范围限制在略大于0.5的值，以便防止缓冲二极管DSA和DSB向输出滤波电容器CFA和CFB传递大的电流脉冲。这种效果限制了使用该电力变流器电路可获得的可用电压变换比的范围。
如果提供一种适用于大功率、高电压应用的隔离式宽范围的电力变流器，其中多重整流器由无损缓冲电路来缓冲，则期望无损缓冲电路不限制电压的变换范围。
发明内容
本发明提供一种适于大功率、高电压应用的具有多重整流器的隔离式电力变流器，该多重整流器由不限制电压变换范围的无损缓冲电路来缓冲。该电源具有正输出端、负输出端以及公共输出端。第一整流电路从逆变器接收ac功率，并在第一正整流端和第一负整流端之间传递dc功率，而第二整流电路从逆变器接收ac功率，并在第二正整流端和第二负整流端之间传递dc功率。第一正整流端连接至正输出端，而第二负整流端连接至负输出端。第一滤波电感器连接在第一负整流端和公共输出端之间，而第二滤波电感器连接在第二正整流端和公共输出端之间。第一滤波电容器连接在正输出端和公共输出端之间，而第二滤波电容器连接在负输出端和公共输出端之间。第一缓冲电感器连接在正输出端和第一缓冲节点之间，而第二缓冲电感器连接在负输出端和第二缓冲节点之间。第一缓冲电容器连接在第一缓冲节点和输出端之间，而第二缓冲电容器连接在第二缓冲节点和输出端之间。第一缓冲二极管连接在第二正整流端和第一缓冲节点之间，而第二缓冲二极管连接在第二缓冲节点和第一负整流端之间。确定缓冲二极管的方向，使得当它们正向导通电流时，第一二极管电流经第一缓冲二极管流入第一缓冲节点，并且第二二极管电流流出第二缓冲节点，流入第二缓冲二极管。
附图说明
图1示出现有技术的具有简单的无损缓冲电路的双极电源，其中该无损缓冲电路限制了可用的电压变换范围；
图2示出具有无损缓冲器的双极电源，其中该无损缓冲器允许宽的电压变换范围；
图3示出当逆变器的占空比为0.7时的图2的电源的波形；
图4示出当逆变器的占空比为0.4时的图2的电源的波形。
具体实施方式
在图2中，示出了宽范围的双极电源WRBPS，其具有用于从输入端PIT和NIT接收dc功率的逆变器INV。该逆变器具有用于驱动变压器T1的开关SW1-SW4。这些开关被控制电路(未示出)操作，使得该逆变器用作移相桥或脉宽调制H桥。逆变器INV也可以由任意公知的逆变器电路实现，其中任意公知的逆变器电路用于向变压器传递电流脉冲。变压器T1具有将ac功率提供给桥式整流器RCT1和RCT2的次级绕组T1A和T1B。可选地，T1可以由与T1所起作用相同的两个变压器替代。整流器RCT1在正输出端PRT1和负输出端NRT1之间传递dc功率。整流器RCT2在正输出端PRT2和负输出端NRT2之间传递dc功率。整流器RCT1和RCT2可以用其他公知的整流电路实现，例如中心抽头全波整流器，和例如在正激变换器和反激变换器中所使用的半波整流器。
电源WRBPS具有正输出端POT、负输出端NOT以及公共输出端COT。正整流端PRT1连接至正输出端POT，而负整流端NRT2连接至负输出端NRT2。滤波电感器LF1连接在负整流端NRT1和公共输出端COT之间。第二滤波电感器LF2连接在正整流端PRT2和公共输出端之间。输出滤波电容器CF1连接在正输出端和公共输出端之间，而输出第二滤波电容器CF2连接在负输出端和公共输出端之间。滤波电感器LF1和LF2平滑提供给滤波电容器CF1和CF2的电流中的纹波。
缓冲电感器LS1连接在正输出端和缓冲节点SJ1之间，而第二缓冲电感器LS2连接在负输出端和第二缓冲节点SJ2之间。缓冲电容器CS1连接在缓冲节点SJ1和负输出端之间，而第二缓冲电容器CS2连接在第二缓冲节点和正输出端之间。图2所示的缓冲电容器的连接通常在输出滤波电容器中产生最小的纹波电流，但是缓冲电容器也可以连接至任一输出端，优选是以对称的方式。例如，CS1可以一端连接至正输出端，而CS2可以一端连接至负输出端。可选地，CS1和CS2可以每个都有一端连接至公共输出端。
缓冲二极管DS1连接在正整流端PRT2和缓冲节点SJ1之间，而第二缓冲二极管DS2连接在缓冲节点SJ2和负整流端NRT1之间。确定该缓冲二极管的方向，使得当它们正向导通电流时，DS1中的电流流入缓冲节点SJ1，而DS2中的电流流出节点SJ2。
次级绕组T1A和T1B优选以一种方式缠绕，使得它们在整流器RCT1和RCT2的整流输出端之间产生基本相等的电压和相同的波形。如果这些整流器采用全波整流电路实现，那么次级绕组的极性不重要。但是，如果整流器RCT1和RCT2使用半波整流电路实现，那么次级绕组的极性应当如图2所示。如果如此实现该次级绕组以使整流器RCT1和RCT2的输出电压几乎相等，那么两个缓冲电感器LS1和LS2以及两个滤波电感器LF1和LF2可以如图2所示耦合。缓冲电容器CS1和CS2优选应当具有相等的电容值，并且同样优选的是，滤波电容器CF1和CF2具有相等的电容值。
图3和图4示出电源WRBPS在逆变器分别工作在占空比为0.7和0.4时的波形。该波形由计算机仿真按照表1中指定的元件值和参数所产生。表2列出了工作性能参数。
在图3和图4中，VOUT是正输出端和负输出端之间的输出电压，VBRIDGE是每组正整流端和负整流端之间的电压，以及VSNUB是缓冲电容器两端的电压。ILF是流出滤波电感器LF1和LF2的点标识端的电流，而ILS是流出缓冲电感器LS1和LS2的点标识端的电流。ISEC是流出次级绕组T1A和T1B的点标识端的电流。
            表1.图2中的元件值和参数
  变压器绕组的电感值   1mH(所有三个绕组)
  变压器的耦合系数   0.99(所有三个耦合)
  滤波电感器LF1和LF2   300μH
  LF1和LF2之间的耦合   0.97
  缓冲电感器LS1和LS2   200μH
  LS1和LS2之间的耦合   0.99
  缓冲电容器CS1和CS2   330nF
  输出滤波电容器CF1和CF2   330nF
                    表2.图3和4的工作参数
  图3   图4
  工作频率   31.25kHz   31.25kHz
  输入电压   500V   500V
  输出功率   15kW   15kW
  逆变器的占空比   0.7   0.4
  平均输出电压   668V   451V
  输出纹波电压均方根的百分比   2.7％   5.0％
图3示出图2中的电源WRBPS在逆变器INV以占空比0.7工作时的波形。当整流器RCT1和RCT2的输出端之间的电压的峰值与平均值的比小于2时，缓冲二极管将导通非常小的电流，并且缓冲电压VSNUB将近似等于桥电压的峰值。当诸如INV等方波逆变器的占空比略大于0.5时，也将满足该条件。由于变压器的漏电感，整流器输出电压的占空比将小于逆变器的占空比。在逆变器的占空比很高时，图1中的现有技术的电源BPS也以类似方式工作。
图4示出图2中的电源WRBPS在逆变器INV以占空比0.4工作时的波形。当整流器RCT1和RCT2的输出端之间的电压的峰值与平均值的比大于2时，缓冲二极管导通大量电流。当方波逆变器，例如INV的占空比小于约0.5时，也将满足该条件。这对于图1中的现有技术的电源BPS也成立。流经缓冲二极管DS1和DS2的电流的峰值由缓冲电感器LS1和LS2限制，如波形ILF所示。图4的底部图形表示流经缓冲电感器的电流大于流经滤波电感器的电流，但是输出电压的纹波仍是较小。
在图3与图4中，缓冲电容器的电压VSNUB的峰值大约相同，但是图4中的纹波电压更大。虽然如此，但是缓冲电容器的ac电压和电流的伏安乘积只有大约2.5kVA，这与15kW的输出功率相比还是很小。
缓冲电容器的最优值取决于应用。表2中列出的电容值适合于向等离子体负载传递功率所使用的电源，并且能够用于实现下述共同待决的专利申请中的dc电源，所述共同待决的专利申请是2004年7月2日提交的序列号为10/884119的“Apparatus and Method For Fast ArcExtinction With Early Shunting of Arc Current in Plasma”。该电源的高输出电压性能、宽输出电压范围和低输出电容非常适于这样的应用。在该应用中，不使用公共输出端。
同样可以在使用双极输出电压性能的应用中，使用该WRBPS电源电路。这种情况例如是将其用作预稳压器电源，以从整流的三相电压中产生稳定的隔离dc母线电压。该预稳压器为具有三个相应输入端的多重电力变流器提供功率，其中该多重电力变流器例如是2004年8月24日申请的共同待决专利申请“Soft Switching InterleavedPower Converter”中所描述的软切换多重降压电力变流器。DC逆变器的输入端PIT和NIT将从三相桥式整流器的输出电压接收功率。在该应用中，宽电压变换范围将用于适应ac输入电压的变化。输出电容器优选是更大的(在几百微法的数量级)，以提供大量的储能，该储能将增强驾驭电力线暂态过程的能力。逆变器的控制电路(未示出)应当被设计成从桥式整流器抽取相对恒定的电流，同时保持相对稳定的输出电压。该控制电路具有带宽为几kHz的内部输入电流控制环以及带宽远小于ac电力线频率的外部控制环，以调节隔离dc母线的输出电压。
虽然这里示出并描述了本发明的特定结构和操作细节，但是应该清楚的理解，该特定结构和操作细节仅用于说明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以很容易地作出修改和变形。

Claims (1)

1、一种用于向至少一个负载传送功率的双极电力变流器，其包括：
a)正输出端、负输出端以及公共输出端；
b)第一整流电路，其从逆变器接收ac功率，并在第一正整流端和第一负整流端之间传递dc功率；和第二整流电路，其从所述逆变器接收ac功率，并在第二正整流端和第二负整流端之间传递dc功率；
c)所述第一正整流端，其连接至所述正输出端；和所述第二负整流端，其连接至所述负输出端；
d)第一滤波电感器，其连接在所述第一负整流端和所述公共输出端之间；和第二滤波电感器，其连接在所述第二正整流端和所述公共输出端之间；
e)第一滤波电容器，其连接在所述正输出端和所述公共输出端之间；和第二滤波电容器，其连接在所述负输出端和所述公共输出端之间；
f)第一缓冲电感器，其连接在所述正输出端和第一缓冲节点之间；和第二缓冲电感器，其连接在所述负输出端和第二缓冲节点之间；
g)第一缓冲电容器，其连接在所述第一缓冲节点和输出端之间；和第二缓冲电容器，其连接在所述第二缓冲节点和输出端之间；
h)第一缓冲二极管，其连接在所述第二正整流端和所述第一缓冲节点之间；和第二缓冲二极管，其连接在所述第二缓冲节点和所述第一负整流端之间；确定所述缓冲二极管的方向，使得当它们正向导通电流时，第一二极管电流经所述第一缓冲二极管流入所述第一缓冲节点，而第二二极管电流流出所述第二缓冲节点，流入所述第二缓冲二极管。
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