CN101621210A - 大容量蓄电池充电装置 - Google Patents

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蔡志伟
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Abstract

本发明的大容量蓄电池充电装置，其输入电路采用由IGBT管、二极管及电容构成的三相三电平、单相三电平或单相三电平半桥逆变电路，输出电路采用由整流二极管、输出电抗器和电容构成的整流输出电路，通过隔离变压器将输入电路和输出电路耦合起来。可以采用耐压较低的IGBT管，以高于音频的开关频率工作，实现隔离变压器和输出电抗器静音。

Description

大容量蓄电池充电装置
技术领域
本发明属于直流电源技术领域，尤其涉及一种大容量蓄电池充电装置。
背景技术
大容量蓄电池充电装置过去大多采用相控整流技术，功率器件采用可控硅SCR和小容量的GTO、GTR功率器件，不仅效率低、能耗大、功率因数低、输出精度差，存在严重的过充电和析气等现象，影响电源的品质和蓄电池的使用寿命，而且由于控制回路与辅助回路需要采用工频变压器隔离，电源的体积和重量都很大。随着开关电源技术和大功率电子开关器件迅速发展，直流电源装置主要采用H桥逆变、高频变压器隔离技术，而在铁路机车上这种直流电源的输入一般为辅助变流器输出的三相交流电压或辅助变流器中间直流电压，其电压值一般都很高，且变化范围大，三相交流电整流成的直流电压及辅助变流器中间直流电压一般都在530V～900V之间。因此在开关功率器件上，一是采用高耐压等级，中、大容量的IGBT，单相H桥逆变、隔离、整流输出；二是采用较低耐压等级、小容量的IBGT或场效应管，多路H桥逆变、隔离、整流并联输出；这两种方式都具有高效率、低能耗、高功率因数，高输出精度的特点。但是，由于第一种方式的开关频率很难达到15K以上的频率，一般在10K以下，因此隔离变压器和输出电抗器会产生高频噪声，噪声随着输出电流的增大而增强。如果增大开关频率到15K以上，IGBT热损耗急剧增加、换流恶化，产品的可靠性及寿命都会受到极大影响。第二种方式开关频率虽然可以到达20K以上，但小容量IBGT或场效应管的耐压等级低，因此当中间回路电压较高时还必须采用双管串联，另外还需对多路电源的输出电流进行均流控制，系统选用的元件数量多，控制复杂，可靠性也会受到影响。
在开关电源的主电路中经常会应用到单相半桥逆变电路，它的优点是电路简单，使用器件少。但是，输出交流电压幅值为Udc/2，直流侧需两电容器串联。另外，单相半桥逆变电路与单相H桥逆变电路相比，输出电压是单相H桥逆变电路的1/2，在相同输出功率的情况下，变压器的原边电流是单相H桥逆变电路的2倍，在开关频率小于10KHz的情况下，变压器和电抗器的噪声会更大。
发明内容
本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种在输入电压值高、变化范围大的条件下，能够采用较低耐压等级且大容量的IBGT，消除隔离变压器及输出电抗器高频噪声且控制简单的大容量蓄电池充电装置。
本发明的目的是这样现的：一种大容量蓄电池充电装置，主要由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征于IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4、SW1～SW4)、二极管(FR1～FR6)和电容(C1、C2)构成三相三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D6)、电抗器(L1)和电容(C3)构成三相整流输出电路，三相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
本发明的目的也可以这样实现：一种大容量蓄电池充电装置，主要由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征在于IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4)、二极管(FR1～FR4)和电容(C1、C2)构成单相三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成单相整流输出电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
本发明的目的也可以这样实现：一种大容量蓄电池充电装置，由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征在于IGBT管(SU1～SU4)、二极管(FR1、FR2)和电容(C1、C2)构成单相半桥式三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成单相整流输出电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
采用本发明的三相三电平逆变输入电路方案，由多个电平台阶合成的输出电压波形，改善了输出电压、电流波形，大大降低了输出电压、输出电流的谐波含量；开关管的电压额定值只为直流母线上电压的一半，在直流母线电压较高的情况下，仍然可以使用较低耐压等级，中大容量的IGBT开关元件，且正常工作开关频率可以达到20KHz，实现静音设计；在输入直流电压及输出功率相同的情况下，变压器原副边的电流大大降低；因而在使用相同容量IGBT的情况下，输出功率可以更大。三相变压器的漏磁比单相变压器的漏磁低；整流输出的脉冲电压的频率为开关频率的三倍，超出了音频范围，消除了电抗器产生的高频噪声，由于开关频率的增加，使得三相变压器及输出电抗器的体积大大减小。
采用本发明的单相三电平或单相半桥式三电平逆变输入电路方案，开关管的电压额定值只为直流母线上电压的一半，在直流母线电压较高的情况下，仍然可以使用低耐压等级、中大容量的IGBT开关元件，且正常工作开关频率可以达到20KHz，实现静音设计；由于开关频率的增加，使得变压器及输出电抗器的体积大大减小。
附图说明
附图1为本发明实施例采用三相三电平逆变输入电路的大容量蓄电池充电装置的主电路示意图。
附图2为本发明实施例采用单相三电平逆变输入电路的大容量蓄电池充电装置的主电路示意图。
附图3为本发明实施例采用单相半桥式三电平逆变输入电路的大容量蓄电池充电装置的主电路示意图。
附图4为本发明实施例开关管开关状态表。
具体实施方式
参看附图1，该实施例的大容量蓄电池充电装置，其输入电路是由IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4、SW1～SW4)、二极管(FR1～FR6)和电容(C1、C2)构成三相三电平逆变电路，输出电路是由整流二极管(D1～D6)、电抗器(L1)和电容(C3)构成的三相整流电路，三相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。用PWM脉宽调制控制电路(图中未示出)控制三相三电平逆变输入电路中IGBT管的开通宽度。开关状态如图4中的表所示，SX1～SX4为某一相的IGBT开关元件，当SX1、SX2开通，SX3、SX4关断时，该相所输出的相电压为Udc/2，当SX2、SX3开通，SX1、SX4关断时，该相所输出的相电压为0，当SX1、SX2关断，SX3、SX4开通时，该相所输出的相电压为-Udc/2，因此所输出的相电压为正、负占空比可调的三电平阶梯波，输出的线电压为多电平的阶梯波。SU、SV、SW三组IGBT的开关顺序在相位上相差120°。
传统的三相三电平逆变电路主要应用在电机驱动及其他三相交流电源中，由多个电平台阶合成的输出电压正弦波形，在相同开关频率条件下，与传统二电平逆变器相比，谐波含量大大减少，改善了输出电压波形，另外开关管的电压额定值只为直流母线上电压的一半，使低压开关器件可以应用于高压变换器中。缺点是出现中点电压不平衡的问题。
参看附图2，该实施例的大容量蓄电池充电装置，其输入电路是由IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4)、二极管(FR1～FR4)和电容(C1、C2)构成单相三电平逆变电路，输出电路是由整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成的单相整流电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。用PWM脉宽调制控制电路(图中未示出)控制单相三电平桥式逆变输入电路中IGBT管的开通宽度。开关状态如图4中的表所示，SX1～SX4为某一相的IGBT开关元件，当SX1、SX2开通，SX3、SX4关断时，该相所输出的相电压为Udc/2，当SX2、SX3开通，SX1、SX4关断时，该相所输出的相电压为0，当SX1、SX1.2关断，SX3、SX4开通时，该相所输出的相电压为-Udc/2，因此所输出的相电压为正、负占空比可调的三电平阶梯波，SU、SV两组IGBT的开关顺序在相位上相差90°或180°。
参看附图3，该实施例的大容量蓄电池充电装置，其输入电路是由IGBT管(SU1～SU4)、二极管(FR1、FR2)和电容(C1、C2)构成单相半桥式三电平逆变电路，输出电路是由整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成的单相整流电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。用PWM脉宽调制控制电路(图中未示出)控制单相半桥式三电平逆变输入电路中IGBT管的开通宽度。开关状态如图4中的表所示，SX1～SX4为SU桥臂的IGBT开关元件，当SX1、SX2开通，SX3、SX4关断时，U相所输出的相电压为Udc/2，当SX2、SX3开通，SX1、SX4关断时，U相所输出的相电压为0，当SX1、SX2关断，SX3、SX4开通时，U相所输出的相电压为-Udc/2，因此所输出的相电压为正、负占空比可调的三电平阶梯波。

Claims (3)

1、一种大容量蓄电池充电装置，主要由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征于IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4、SW1～SW4)、二极管(FR1～FR6)和电容(C1、C2)构成三相三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D6)、电抗器(L1)和电容(C3)构成三相整流输出电路，三相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
2、一种大容量蓄电池充电装置，主要由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征在于IGBT管(SU1～SU4、SV1～SV4)、二极管(FR1～FR4)和电容(C1、C2)构成单相三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成单相整流输出电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
3、一种大容量蓄电池充电装置，由IGBT开关管及其PWM脉宽调制控制电路、隔离变压器、整流二极管和输出电抗器构成，其特征在于IGBT管(SU1～SU4)、二极管(FR1、FR2)和电容(C1、C2)构成单相半桥式三电平逆变输入电路，整流二极管(D1～D4)、电抗器(L1)和电容(C3)构成单相整流输出电路，单相隔离变压器(T1)将输入电路和输出电路耦合起来。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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