CN102545629A

CN102545629A - 地铁机车电源

Info

Publication number: CN102545629A
Application number: CN2011104438401A
Authority: CN
Inventors: 马红星; 李华武; 杨喜军
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开一种电力电子技术领域的地铁机车电源，包括分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路分为两部分分别独立处理，每个部分的前级为两个降压变压器串联，两端与开关电路的输出端相连，整流电路的后级为四个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。本发明输入电压等级高，输出直流电压稳定，电路结构简单，开关应力小，变压器设计简化，电源利用率高，供电质量好，稳定性和安全系数较高，成本低，适合地铁动车高铁等高压高速的应用场合。

Description

地铁机车电源

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的降压变换器，具体是一种2000V输入-24V输出的地铁机车电源。

背景技术

应用于电子设备和控制电路的24V低压直流电源是地铁机车低压配电系统的重要组成部分。随着我国地铁动车高铁技术的迅猛发展，对于低压直流电源的需求越来越旺盛，要求也越来越高。体积小、重量轻、稳定性好、安全系数高、超高电压输入的低压电源符合高速列车的发展要求，具有良好的应用前景。

2000V输入-24V输出的地铁机车电源具体包括两个电压变换环节，一个是高压直流电输入-低压交流电输出环节，另一个是低压交流电输入-低压直流电输出环节。

为了完成高压直流电输入-低压交流电输出环节，可以采用单端正激电路和桥式逆变电路。单端正激电路将输入的高压直流电压斩波变换为高压脉冲电压，该电压送入降压变压器耦合至副边，电路结构简单，控制容易，成本较低，但是单个功率器件承受的电压等级较大，电源利用率较低；桥式逆变电路结构经典，控制方法成熟，功能齐全，性能高，但是其成本较高，输入电压等级较低，无法应用于高压大功率的场合。

经过对现有适合高压直流电压输入-低压直流电压输出应用场合的降压变换器技术的检索发现，“高压输入低压大电流输出模块电源的设计”(电力电子技术，2009年第5期43卷)和“高压输入低压多路输出的两级式变换器”(电工技术学报，2010年第1期第25卷)中描述的单相-单相交-直变换器的结构复杂，设计难度大，输入电压低，功能和性能较差，很难应用于地铁机车等高压场合；中国专利号：02224999.0，专利名称：从高压线上获取能量的低压电源，描述的降压变换器采用了电流互感器和蓄电池，成本较高，且其拓扑和工作原理都极其复杂，应用难度非常高。

为了完成低压交流电压输入-低压直流电压输出，采用全波整流电路，电源利用率高，每个功率器件仅提供输出电流的一半，输出直流电流波幅小，供电质量高。

综上所述，现有的高压输入-低压输出电源的输入电压等级低，结构和控制比较复杂，而输入电压较高的电源成本高，拓扑比较复杂，输出电压稳定性较差，均不适用于地铁机车等高速和高压的场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、控制简便、成本低廉、输入电压等级高、供电质量高的降压变换器已成为本领域技术人员的当务之急。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种地铁机车电源，使其实现DC/DC变换，具有结构简单、控制简便、成本低廉、供电质量高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括依次级联的分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路分为两部分单独处理，每个部分的前级为两个降压变压器初级串联，串联后初级两端与开关电路的输出端相连，整流电路的后级为四个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。

所述的分压电路为电容分压电路：八个电解电容依次串联，两端分别与输入电源的正极和负极相连，其中第一至第四电容为一组，第五至第八电容为一组，将输入电压均分，这两部分电压独立使用，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容和第五电容的连接点为第一节点O1，第二电容和第三电容的连接点为第二节点O2，第六电容和第七电容的连接点为第三节点O3；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第八电阻分别为第一至第八电容均压；第九电阻和第十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第二节点O2相连，为第一电容和第二电容均压；第十一电阻和第十二电阻串联，两端分别与第二节点O2和第一节点O1相连，为第三电容和第四电容均压；第十三电阻和第十四电阻串联，两端分别与第一节点O1和第三节点O3相连，为第五电容和第六电容均压；第十五电阻和第十六电阻串联，两端分别与第三节点O3和输入电源负极相连，为第七电容和第八电容均压；第十七至第二十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第一节点O1相连，为第一至第四电容均压；第二十一至第二十四电阻串联，两端分别与第一节点O1和输入电源负极相连，为第五至第八电容均压。

所述的开关电路的结构为八个逆导开关串联，串联后两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第四逆导开关和第五逆导开关的连接点为第一节点O1，第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第二节点O2，第六逆导开关和第七逆导开关的连接点为第三节点O3，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第四节点O4，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第五节点O5，第五逆导开关和第六逆导开关的连接点为第六节点O6，第七逆导开关和第八逆导开关的连接点为第七节点O7。所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关和第五逆导开关驱动信号相同，第二逆导开关和第六逆导开关驱动信号相同，第三逆导开关和第七逆导开关驱动信号相同，第四逆导开关和第八逆导开关驱动信号相同。

所述的整流电路可划分为结构相同的两部分，称为第一部分和第二部分，分别独立处理二分之一的输入电压，每个部分均包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连，第一部分的两个降压变压器的原边绕组和第九电容依次串联，两端分别与第四节点O4和第五节点O5相连，第二部分的两个降压变压器的原边绕组和第十电容依次串联，两端分别与第六节点O6和第七节点O7相连。由于两个部分共四个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法：第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第八节点O8相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第八节点O8相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与第九节点O9相连，第二十五电阻的一端与第一降压变压器的下副边绕组的正极相连，另外一端接地，第三二极管和第十一电容串联，第三二极管的正极与第一降压变压器的下副边绕组的负极相连，第十一电容的负极接地。第一、第二、第四、第五、第七、第八、第十、第十一二极管的负极与第八节点O8相连，第一至第四电感的右端与第九节点O9相连。

所述的滤波电路为电容滤波电路，第十五电容和第十六电容串联，两端分别与第八节点O8和第九节点O9连接，其中第十五电容两端并联第二十九电阻，第十六电容两端并联第三十电阻，第二十九电阻和第三十电阻分别为第十五电容和第十六电容均压。所述的滤波电路的输出端输出直流电压。

采用上述技术方案，本发明结合分压电路和开关电路将高电压转换为低电压进行处理，变压器串联降低单个变压器的压降，制定了高压输入-低压输出的降压变换器，分压电路和开关电路结构简单，控制方便，可将输入高电压降压处理，开关应力小，变压器设计简化，全波整流器电源利用率高，输出电压稳定性好，安全系数高，能够适应地铁动车高铁等高速度高电压的应用场合。本发明具有设计结构新颖、通用性强、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种2000V输入-24V输出的地铁机车电源，包括依次级联的分压电路1、开关电路2、整流电路3和滤波电路4，分压电路1的输出端通过开关电路2和整流电路3与滤波电路4的输入端相连。

所述的分压电路1为电容分压电路：八个电解电容C1～C8依次串联，两端分别与输入电源正极P1和负极N1相连，其中第一至第四电容C1～C4为一组，第五至第八电容C5～C8为一组，将输入电压均分，这两部分电压独立使用，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容C4和第五电容C5的连接点为O1，第二电容C2和第三电容C3的连接点为O2，第六电容C6和第七电容C7的连接点为O3；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第八电阻R1～R8分别为第一至第八电容C1～C8均压；第九电阻R9和第十电阻R10串联，两端分别与输入电源正极P1和节点O2相连，为第一电容C1和第二电容C2均压；第十一电阻R11和第十二电阻R12串联，两端分别与节点O2和O1相连，为第三电容C3和第四电容C4均压；第十三电阻R13和第十四电阻R14串联，两端分别与节点O1和O3相连，为第五电容C5和第六电容C6均压；第十五电阻R15和第十六电阻R16串联，两端分别与节点O3和输入电源负极N1相连，为第七电容C7和第八电容C8均压；第十七至第二十电阻R17～R20串联，两端分别与输入电源正极P1和节点O1相连，为第一至第四电容C1～C4均压；第二十一至第二十四电阻R21～R24串联，两端分别与节点O1和输入电源负极N1相连，为第五至第八电容C5～C8均压。

所述的电容C1～C8为铝电解电容2200μF/400V。

所述的电阻R1～R24为50kΩ，1％，2W。

所述的开关电路2的结构为八个逆导开关S1～S8串联，两端分别与输入电源正极P1和负极N1相连，其中第四逆导开关S4和第五逆导开关S5的连接点为O1，第二逆导开关S2和第三逆导开关S3的连接点为O2，第六逆导开关S6和第七逆导开关S7的连接点为O3，第一逆导开关S1和第二逆导开关S2的连接点为O4，第三逆导开关S3和第四逆导开关S4的连接点为O5，第五逆导开关S5和第六逆导开关S6的连接点为O6，第七逆导开关S7和第八逆导开关S8的连接点为O7。所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关S1和第五逆导开关S5驱动信号相同，第二逆导开关S2和第六逆导开关S6驱动信号相同，第三逆导开关S3和第七逆导开关S7驱动信号相同，第四逆导开关S4和第八逆导开关S8驱动信号相同。

所述的逆导开关S1～S8为功率MOSFET 500V/35A/100℃，逆导开关S1～S8的驱动脉冲根据开关电路所需的输出波形进行调节，开关频率为10kHz；

所述的整流电路3可划分为结构相同的两部分，称为第一部分和第二部分，分别独立处理二分之一的输入电压，各个部分均包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连，第一部分的两个降压变压器的原边绕组和第九电容C9依次串联，两端分别与节点O4和O5相连，第二部分的两个降压变压器的原边绕组和第十电容C10依次串联，两端分别与节点O6和O7相连。由于两个部分共四个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法：第一二极管D1的正极与第一降压变压器T1的上副边绕组的正极相连，负极与节点O8相连，第二二极管D2的正极与第一降压变压器T1的上副边绕组的负极相连，负极与节点O8相连，第一电感L1的一端与第一降压变压器T1的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与节点O9相连，第二十五电阻R25的一端与第一降压变压器T1的下副边绕组的正极相连，另外一端接地，第三二极管D3和第十一电容C11串联，第三二极管D3的正极与第一降压变压器T1的下副边绕组的负极相连，第十一电容C11的负极接地。第一、第二、第四、第五、第七、第八、第十、第十一二极管D1、D2、D4、D5、D7、D8、D10、D11的负极与节点O8相连，第一至第四电感L1～L4的右端与节点O9相连。

所述的变压器T1、T2、T3、T4为高压型，降压型，变比为5∶1∶1，采用多个变压器初级串联以提升耐压能力。

所述的二极管D1～D12为反向快速恢复型50V/50A/100℃。

所述的电容C9～C10为CBB交流电容2.0uF/1200V。

所述的电容C11～C14为CBB交流电容2.0uF/63V。

所述的电感L1～L4为非晶体材料，感值为500uH。

所述的电阻为R25～R28为2.7kΩ，1％，1/10W。

所述的滤波电路4为电容滤波电路，第十五电容C15和第十六电容C16串联，两端分别与节点O8和O9连接，其中第十五电容C15两端并联第二十九电阻R29，第十六电容C16两端并联第三十电阻R30，第二十九电阻R29和第三十电阻分R30别为第十五电容C15和第十六电容C16均压。所述的滤波电路的输出端输出直流电压。

所述的电容C15、C16为CBB交流电6800uF/25V；

所述的电阻R29、R30为0.5kΩ，5％，1/2W。

本实施例中，输入交流电压为2000V，输出直流电压为24V。

本实施例通过以下方式进行工作：分压电路1将高压直流输入电压平均分为上下两部分，两部分内部再次分压，共分为四等份，滤波电容使得四等份输入电压平稳光滑，均压电阻保证四等份输入电压稳定均衡，开关电路2受特定的脉冲信号驱动，两部分输入电压分别独立进行处理，可将高压直流输入电压变成幅值仅为输入电压四分之一大小的交变电压，大大减少了开关应力，此过程中两部分对应开关的动作保持一致，每部分同一时刻只能有两个开关导通，且每等份各有一个开关导通，每部分电路共有

种开关状态：以第一部分为例，当第一逆导开关和第三逆导开关导通时输出电压为输入电压的四分之一，第一电容和第二电容供电。当第二逆导开关和第三逆导开关导通时变压器初级续流，处于磁复位阶段。当第二逆导开关和第四逆导开关导通时输出电压为输入电压的四分之一，第三电容和第四电容供电。当第一逆导开关和第四逆导开关导通时输出电压为输入电压的二分之一，电压应力较高(不利用此状态)。对于每部分电路，交替等占空比地选择状态1和2、状态3和2、产生合适的脉冲控制信号分别驱动八个逆导开关，可将输入高电压降压后送入变压器进行处理。开关电路2输出的交流电压经电容滤除直流成分后送入串联的降压变压器，并耦合至副边，这样，单个变压器输入端电压减小，大大简化了变压器的设计。四个降压变压器输出低压交流电压分别施加各自的全波整流器，全波整流器对低压交流电进行整流且输出端并联产生低压大电流输出，另外每个降压变压器的副边均连接一个磁复位电路，这样可防止电路运行中变压器原边出现的磁饱和现象。

本发明采用电容分压电路和开关电路，将输入高电压降低为原来的四分之一进行处理，变压器串联结构进一步分压，实现由高压直流电源变换为低压交流电源，再采用全波整流器实现低压交流电压-低压直流输出，且输出端并联，可获得低压大电流输出。该电路结构简单，设计新颖，巧妙地将大电压转化为小电压进行处理，开关应力大大减小，变压器的设计简化，成本下降，采用全波整流器提高了电源利用率，保证了供电质量，磁复位电路的应用可避免变压器磁饱和，提高了工作稳定性和安全系数，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的降压变换器方案的不足之处包括：输入电压等级太低，难以做到大功率化，电路稳定性差，效率较低，结构复杂，控制繁琐，不易实现。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种地铁机车电源，包括：分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，其中：分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连；其特征在于：

所述的分压电路为电容分压电路：八个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一至第四电容为一组，第五至第八电容为一组，将输入电压均分，这两部分电压独立使用，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容和第五电容的连接点为第一节点(O1)，第二电容和第三电容的连接点为第二节点(O2)，第六电容和第七电容的连接点为第三节点(O3)；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第八电阻分别为第一至第八电容均压；第九电阻和第十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第二节点(O2)相连，为第一电容和第二电容均压；第十一电阻和第十二电阻串联，两端分别与第二节点(O2)和第一节点(O1)相连，为第三电容和第四电容均压；第十三电阻和第十四电阻串联，两端分别与第一节点(O1)和第三节点(O3)相连，为第五电容和第六电容均压；第十五电阻和第十六电阻串联，两端分别与第三节点(O3)和输入电源负极相连，为第七电容和第八电容均压；第十七至第二十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第一节点(O1)相连，为第一至第四电容均压；第二十一至第二十四电阻串联，两端分别与第一节点(O1)和输入电源负极相连，为第五至第八电容均压。

所述的开关电路的结构为八个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第四逆导开关和第五逆导开关的连接点为第一节点(O1)，第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第二节点(O2)，第六逆导开关和第七逆导开关的连接点为第三节点(O3)，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第四节点(O4)，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第五节点(O5)，第五逆导开关和第六逆导开关的连接点为第六节点(O6)，第七逆导开关和第八逆导开关的连接点为第七节点(O7)；所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关和第五逆导开关驱动信号相同，第二逆导开关和第六逆导开关驱动信号相同，第三逆导开关和第七逆导开关驱动信号相同，第四逆导开关和第八逆导开关驱动信号相同；

所述的整流电路包括结构相同的两部分，这两部分分别独立处理二分之一的输入电压，各个部分均包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连，第一部分的两个降压变压器的原边绕组和第九电容依次串联，两端分别与第四节点(O4)和第五节点(O5)相连，第二部分的两个降压变压器的原边绕组和第十电容依次串联，两端分别与第六节点(O6)和第七节点(O7)相连。

2.根据权利要求1所述的地铁机车电源，其特征是，所述子整流电路的电路结构完全相同，具体连接：第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第八节点(O8)相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第八节点(O8)相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与第九节点(O9)相连，第二十五电阻的一端与第一降压变压器的下副边绕组的正极相连，另外一端接地，第三二极管和第十一电容串联，第三二极管的正极与第一降压变压器的下副边绕组的负极相连，第十一电容的负极接地；第一、第二、第四、第五、第七、第八、第十、第十一二极管的负极与第八节点(O8)相连，第一至第四电感的右端与第九节点(O9)相连。

3.根据权利要求1或2所述的地铁机车电源，其特征是，所述的滤波电路为电容滤波电路，第十五电容和第十六电容串联，两端分别与第八节点(O8)和第九节点(O9)连接，其中第十五电容两端并联第二十九电阻，第十六电容两端并联第三十电阻，第二十九电阻和第三十电阻分别为第十五电容和第十六电容均压。

4.根据权利要求3所述的地铁机车电源，其特征是，所述的滤波电路的输出端输出直流电压。