CN103036443A - 一种有源多路隔离的输出电源 - Google Patents

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丁习兵
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Abstract

一种有源多路隔离的输出电源，包括：连接交流母线的输出端且原边侧电路相互并联的N个变压器T1～Tn，N为大于等于2的正整数；还包括：N或N-1个开关器件S1～Sn或S1～Sn-1，分别串联于N路或N-1路变压器的原边侧电路中，以限制变压器T1～Tn原边侧电路的电流流通方向，其中，变压器T1～Tn的副边侧产生相互隔离的N路输出电源。因此，本发明固定了变压器原边侧电路中的电流流通方向，以使每个变压器都在一个工作周期内均能完好复位，从而避免了在原边侧电路中因相互间产生环流所导致变压器的磁芯饱和；在输出功率、电源性能和输出路数相等的情况下，本发明的有源多路隔离的输出电源具有体积小、重量轻、效率高和可靠性等特点。

Description

一种有源多路隔离的输出电源
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术中使用的多路直流输出电源，尤其涉及一种适用于高电压和大功率等场合应用的有源多路隔离的输出电源。
背景技术
电力电子技术的迅猛发展，使得有源多路隔离的输出电源装置的应用越来越广泛。例如，有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置。它能够对大小和频率都发生变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供高电压和大功率的多路隔离输出电源。
请参阅图1，图1为现有技术中的多路隔离输出电源的电路示意图。如图所示，通常情况下，在多路隔离输出电源的原边电路侧，由全桥电路、半桥电路、正激电路、反激电路或其它一些电路将交流电源提供到输入端AB，各路变压器T1～Tn的原边侧输入端AB直接并联在交流电源输入端；而在多路隔离输出电源的副边电路侧，每个变压器T1～Tn隔离输出端输出的交流电，经过整流装置整流后得到直流电源，以供所连接的多路负载供电。
然而，由于隔离变压器T1～Tn在原边电路侧均为直接并联连接，且各路变压器T1～Tn副边侧所承载的负载大小不同，因此，这种连接方式会使各隔离变压器T1～Tn原边侧电路之间相互产生环流。此环流会使该隔离变压器T1～Tn产生磁偏，如果该磁偏量达到一定的阈值，就会造成隔离变压器T1～Tn的饱和。因此，为了防止隔离变压器T1～Tn饱和，即确保在任何情况下磁偏不会造成隔离变压器T1～Tn饱和，隔离变压器T1～Tn需要增加设计余量。
下面通过图2和图3具体解释一下磁偏是怎样产生的。需要说明的是，为叙述方便起见，图中变压器的数量仅为两个，即第一变压器T1和第二变压器T2。
请参阅图2，图2为现有技术中采用有源多路隔离输出电源电路中的两个变压器T1和T2原边侧直接并联的等效电路图。其中，Lm1和Lm2为并联变压器T1和T2的等效激磁电感，Vo1和Vo2为变压器T1和T2副边侧经整流后的直流电压；在隔离变压器T1和T2副边侧分别串接的一个开关器件(即二极管D1和D2)以及分别并接于有源多路隔离输出电源的两个输出端的电容C1和C2。
请参阅图3，图3为图2所示电路在具有两个不同负载情况下的环流分析示意图。如图所示，VAB是加载在AB端的交流电压波形。在t0～t1时间段内，VAB是正电压，同时变压器T1和T2原边侧的电流波形理论上为iT所示，即为正向三角波。其中，由于激磁电感的存在，两个变压器T1和T2原边侧的电流波形包含激磁电流成分iLm(iLm1和iLm2)，电流iT和iLm1两者之差为向第一变压器副边侧导通的电流，电流iT和iLm2两者之差为向第二变压器副边侧导通的电流。在t1时刻，VAB电压突然从正向变为负向，分别向第一变压器T1和第二变压器T2副边侧导通的电流会突然截止，但由于电磁电流iLm(iLm1和iLm2)不能突变，在t1～t2时刻，激磁电流iLm(iLm1和iLm2)会慢慢降低直到为零，同时VAB电压归零。在这种情况下，如果VAB的正向面积和负向面积相等，也即满足电磁学中的伏秒平衡，这样变压器T1和T2原边侧的激磁电流iLm(iLm1和iLm2)才可以归零，其磁芯才能激磁复位，不会产生饱和。
然而，从图中可以看出，两个变压器T1和T2在原边侧是直接并联在一起的，由于这两个变压器T1和T2在副边侧的输出负载可能不同，造成Vo1和Vo2的大小略有区别，这时会造成变压器激磁电流上升斜率的不一致，如图3中的iLm1和iLm2所示，而在电压变负后，即在t1～t2时刻点，两电流iLm1和iLm2又以各自的下降速率下降，直到两者电流之和变为零(即图中t2～t3时刻)，以及VAB归零。但在图中t2～t3时刻，无论iLm1还是iLm2，都没有归零，且电流iLm2已反向为负，因此，在两个变压器T1和T2原边侧电路中相互间形成了环流。更为糟糕的是，在下一个周期(即图中t3～t4时刻)以及之后，iLm1和iLm2会越来越发散，直到失控。经过几个周期变大的电流，致使磁芯中的磁通变大直到磁芯饱和。为了防止这种现象的发生，传统的做法为将变压器T1和T2的体积做得很大，以便有很大的磁芯饱和余量，即使在激磁电流和偏磁很大的情况下，其磁芯也不会饱和。
因此，如何避免电源隔离变压器原边侧的环流所导致的变压器饱和，且使变压器及整个电源体积更小、重量更轻便，实为目前迫切需要解决的课题。
发明内容
鉴于多路隔离的输出电源原边侧的环流导致变压器的磁芯饱和，存在变压器的体积和重量增加的不足，本发明通过固定变压器原边侧的电流方向，以致各变压器间不会因负载的不同产生相互的环流，每个变压器都可在一个工作周期内完好复位，因此变压器设计时不需要考虑余量，使变压器的体积可以设计的很小。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种有源多路隔离的输出电源，包括：连接交流母线的输出端且原边侧电路相互并联的N个变压器T1～Tn；其中，N为大于等于2的正整数；还包括：N或N-1个开关器件S1～Sn或S1～Sn-1，分别串联于N个变压器T1～Tn的不同原边侧电路中，以限制该变压器T1～Tn原边侧电路的电流流通方向；其中，该变压器T1～Tn的副边侧产生相互隔离的N路输出电源。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn的副边侧还包括整流电路，该整流电路对N路输出电源进行整流以产生相互隔离的N路直流电源。
根据本发明的构想，该交流母线所产生的交流电通过推挽电路、正激电路、反激电路或斩波串联隔直电路产生。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn副边侧整流电路为半波整流、全波整流或同步整流线路。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn原边侧的开关器件S1～Sn或S1～Sn-1为二极管。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn原边侧的开关器件S1～Sn或S1～Sn-1为MOSFET，MOSFET由控制单元控制其通断。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn原边侧的开关器件S1～Sn或S1～Sn-1为IGBT，IGBT由控制单元控制其通断。
根据本发明的构想，该变压器T1～Tn原边侧的开关器件S1～Sn或S1～Sn-1为继电器。
为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：
一种有源电力滤波器，包括主功率电路，该主功率电路包括M组开关器件K1～Km以及其配套的驱动电路，其中，M为大于等于2的正整数；还包括：上述本发明的有源多路隔离的输出电源，输出电源的输入端接收电网侧的交流电源，给驱动电路供电。
根据本发明的构想，该开关器件K1～Km为IGBT或MOSFET。
根据本发明的构想，该有源多路隔离输出电源的变压器原边侧串接的开关器件为二极管；变压器副边侧的整流电路为半周期不控整流电路。
从上述技术方案可以看出，所提供的有源多路隔离输出电源中的隔离变压器T1～Tn原边侧电路没有直接并联连接，而是分别串联了N个开关器件S1～Sn或N-1个开关器件S1～Sn-1，这些开关器件S1～Sn或S1～Sn-1可以限制电流的流通方向。这样，任意一路变压器T1～Tn原边侧的电流方向都是固定的，不会产生相互的环流。也就是说，每个变压器T1～Tn都可以在一个工作周期内完好复位。在进行有源多路隔离输出电源电路的变压器T1～Tn设计时，不需要考虑为防止激磁电流发散致使的磁芯出现饱和而留有的设计余量，每个磁芯的体积较小。结果显示，本发明所使用的变压器比现有技术所采用变压器的体积可以减少70％。与其它形式的有源多路隔离输出电源电路相比，在输出功率、电源性能和输出路数相等的情况下，本发明的有源多路隔离输出电源电路具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高等显著优点。
附图说明
图1为现有技术中采用有源多路隔离输出电源的电路示意图；
图2为现有技术中采用有源多路隔离输出电源电路中的两个变压器原边侧直接并联的等效电路图；
图3为图2所示电路在具有两个不同负载情况下的环流分析示意图；
图4.1为本发明有源多路隔离输出电源一优选实施例的电路示意图；
图4.2为本发明有源多路隔离输出电源又一优选实施例的电路示意图；
图5为本发明实施例中有源两路隔离输出电源电路在具有两个不同负载情况下的环流分析示意图；
图6为本发明有源多路隔离输出电源电路应用于APF系统中的一优选实施例的电路示意图；
图7为本发明多路隔离输出电源应用于APF中的一组驱动电路局部示意图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
上述及其它技术特征和有益效果，下面将结合优选实施例及附图4至图7对本发明有源多路隔离输出电源电路进行详细说明。本发明的有源多路隔离输出电源电路可以包括多个变压器T1～Tn，且多个变压器T1～Tn可以分别承载不同的负载。
请参阅图4.1，图4.1为本发明有源多路隔离输出电源一优选实施例的电路示意图。如图所示，本实施例的多路输出隔离电源主要由连接交流母线输出端且原边侧电路相互并联的多个变压器T1～Tn组成，其中，N为大于等于2的正整数。该交流母线所产生的交流电由推挽电路、正激电路、反激电路或斩波串联隔直电路产生。
为了限制变压器T1～Tn各原边侧电路的电流流通方向，在本发明一优化实施例中，与多个变压器T1～Tn数目相同的多个开关器件S1～Sn分别串联于多路变压器T1～Tn原边侧电路中，例如，以N等于2为例，两个变压器T1和T2的原边侧电路分别串联了一个开关器件S1或S2。
在本发明的其它实施例中，多路变压器T1～Tn各原边侧电路还可以包括N-1个开关器件S1～Sn-1，也就是说，N-1个开关器件S1～Sn-1分别串接于变压器T1～Tn的N-1路原边侧电路中，有一路变压器T1～Tn的原边侧电路没有串接开关器件，同样能达到限制电流的流通方向的目的。
请参阅图4.2，图4.2为本发明有源多路隔离输出电源又一优选实施例的电路示意图。如图所示，在变压器T1的原边侧电路中没有串接开关器件S1，N-1个开关器件S2～Sn分别串接于变压器T2～Tn的N-1路原边侧电路中。以N等于2为例，如果变压器T1的原边侧没有串联一个开关器件S1，变压器T2的原边侧串联了一个开关器件S2，同样，由于该开关器件S2的存在，任何一路激磁电流(无论iLm1还是iLm2)都不能出现负值的情况，即每路激磁电流都被强迫归零。
变压器T1～Tn原边侧电路中的开关器件S1～Sn可以是二极管、可控硅整流器(Silicon-Controlled Rectifier，简称SCR)、双向闸流管开关(The triode ACswitch，简称TRIAC)、绝缘栅双载流子晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT)、金属氧化物半导体晶体管(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor，简称MOSFET)、继电器、可编程单接合晶体管(Programmable Unijunction Transistor，简称PUT)等任何可阻断电路的元件。
具体地说，二极管适用于简单电路，不需要增加其它控制器件；MOSFET元件由于其导通压降较小，适用于大电流场合，但需要增加额外的控制器件；IGBT耐压较高，较适用于高压场合，也需要增加额外的控制器件；继电器是机械操作，比较适用于低频操作场合。
另外，变压器T1～Tn的副边侧具有整流电路以产生相互隔离的多路直流电源，变压器T1～Tn副边侧的整流电路可以为半波整流、全波整流、同步整流等任意整流线路。
以下将以两路隔离输出电源电路进行工作原理分析，但不以此为限。
请参阅图5，图5为本发明实施例中有源多路隔离输出电源电路在具有两个不同负载情况下的环流分析示意图。与图3中相同，图5中的VAB同样为变压器T1和T2原边侧输入端电压AB，iLm1和iLm2为并联变压器T1和T2的等效激磁电感，Vo1和Vo2为变压器T1和T2副边侧经整流后的直流电压。所不同的是，本发明实施例中的两路变压器T1和T2的原边侧电路中分别串联了一个开关器件S1或S2，在这种情况下，交流母线电网侧的电压VAB并没有直接加载在变压器T1和T2两端。
如图5所示，VAB是加载在AB端的交流电压波形。由于两个变压器T1和T2输出端负载的不一致，会造成输出电压的区别，同样会造成在t0～t1时间端激磁电流iLm1和iLm2上升不一致，而在t1～t3时刻，激磁电流iLm1和iLm2又以各自的下降斜率下降。具体地说，在t0～t1时间段内，VAB是正电压，同时两个变压器T1和T2原边侧的电流波形理论上为iT所示，即为正向三角波。其中，由于激磁电感的存在，两个变压器T1和T2原边侧的电流波形包含激磁电流成分iLm(iLm1或iLm2)，电流iT和iLm1两者之差为向第一变压器副边侧导通的电流，电流iT和iLm2两者之差为向第二变压器副边侧导通的电流。
在t1时刻，VAB电压突然从正向变为负向，向副边侧导通的电流会突然截止，但由于激磁电流iLm1或iLm2不能突变，在t1～t3时刻，激磁电流iLm(iLm1或iLm2)会慢慢降低直到为零，即在t2时刻，激磁电流iLm1为零，在t3时刻，激磁电流iLm2为零，同时VAB电压归零。也就是说，采用本发明的具有有源多路隔离输出电源电路，由于两个变压器T1和T2原边侧电路中均分别串联有一个开关器件S1或S2，两个变压器T1和T2原边侧电路中的激磁电流iLm(iLm1和iLm2)在某一个时刻都会被强迫归零，任何一个电流iLm(iLm1或iLm2)在任何时刻都不能变负，因此，两个变压器T1和T2原边侧电路就不可能形成环流，其磁芯才能激磁复位，不会产生饱和。
同理，如果两个变压器T1和T2原边侧电路中只串联有一个开关器件S1或S2，原理和效果均与两个变压器T1和T2原边侧电路中分别串联有一个开关器件S1和S2相同，在此不再赘述。
因此，在上述本发明的实施例中，隔离变压器T1～Tn原边侧电路没有直接并联连接，而是分别串联了N个开关器件S1～Sn或N-1个开关器件S1～Sn-1，这些开关器件S1～Sn或S1～Sn-1可以限制电流的流通方向。这样，任意一个变压器T1～Tn原边侧电路中的电流方向都是固定的，因此，原边侧电路相互间不会产生环流，每个变压器T1～Tn都可以在一个工作周期内完好复位，以使在变压器T1～Tn设计时不需要考虑余量。
下面为本发明应用于APF系统中为驱动电路供电的一个较佳实施例。
请参阅图6，图6为本发明有源多路隔离输出电源电路应用于APF系统中的一优选实施例的电路示意图。如图所示，有源电力滤波器包括APF的主功率电路，该主功率电路由两套三电平逆变器并联组合构成，并采用LCL(电感-电容-电感)滤波电路进行滤波。三电平逆变电路常用于不间断电源(Uninterruptible Power System，简称UPS)以及变频器等场合。
在通常情况下，该主功率电路可以包括M组开关器件K1～Km以及其配套的驱动电路。M可以为大于等于2的正整数。三电平逆变电路需要驱动电路对每一个其所应用的开关器件(例如，IGBT、MOSFET或其它开关器件)进行隔离驱动。在本发明的实施例中，M的数量为24，即两套三电平逆变器共有24组开关器件IGBT。因此，需要24组本发明的有源多路隔离输出电源分别给24组开关器件IGBT的驱动电路供电。
需要说明的是，图6只示出了左侧8组开关器件IGBT的驱动电路和其相配套的有源多路隔离输出电源结构，其它16组开关器件IGBT的驱动电路和其相配套的有源多路隔离输出电源结构与此相同，不再赘述。另外，从实际应用的方便性考虑，图6中的电源电路可配置成两个输出路数(每路12组)相同的有源多路隔离输出电源分别给APF系统主功率电路中的24组开关器件IGBT的驱动电路供电。
请参阅图7，图7为本发明多路隔离输出电源电路应用于APF中的一组驱动电路局部示意图。虽然图中仅示出一路有源隔离输出电源的输入端AB连接到电网侧的交流电源输出端，在实际使用时，24路有源多路隔离电源输入端AB连接到一起统一由电网侧的交流电源供电；并且，该有源多路隔离输出电源包含的24组隔离变压器T1～T24，该隔离变压器T1～T24原边侧电路中分别串接有开关器件S1～S24。在本发明的另一优选实施例中，该隔离变压器T1～T24原边侧电路中的23路原边侧电路分别串接有23个开关器件，剩下的一路原边侧电路没有串接开关器件，其原理和效果均与该隔离变压器T1～T24原边侧电路中分别串接有开关器件S1～S24相同，以避免电源隔离变压器原边侧电路相互之间产生环流。
如图7所示，该有源多路隔离输出电源的输出端与驱动电路相连并给驱动电路供电；该驱动电路接收控制信号，驱动开关器件IGBT执行通断操作。在本发明的实施例中，该有源多路隔离输出电源的开关器件S1～S24均采用二极管，如图中D1所示；该24组开关器件S1～S24使所有隔离变压器T1～T24在原边侧电路中没有直接并联，防止某些路原边侧电路电流的反向。在隔离变压器T1～T24的副边侧，其整流电路可以为半波整流、全波整流、同步整流等任意整流线路，在本发明实施例中，整流电路为半周期不控整流电路；该半周期不控整流电路包括在隔离变压器T1～T24副边侧电路中分别串接的一个无控制功能的整流二极管D2组成的整流电路以及在有源多路隔离输出电源的输出端分别并联的一个电容C，进行不控整流。
结果表明，采用本发明实施例中的有源多路隔离输出电源对APF设备中的驱动电路供电，可以极大地减少其驱动电源的体积。较之采用传统的有源多路隔离输出电源，整个APF设备总体积的减少非常可观。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种有源多路隔离的输出电源，包括：连接交流母线的输出端且原边侧电路相互并联的N个变压器T1～Tn；其中，N为大于等于2的正整数；
其特征在于，还包括：
N或N-1个开关器件(S1～Sn)或(S1～Sn-1)，分别串联于N个所述变压器(T1～Tn)的不同原边侧电路中，以限制所述变压器(T1～Tn)原边侧电路的电流流通方向；其中，所述变压器(T1～Tn)的副边侧产生相互隔离的N路输出电源。
2.根据权利要求1所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)的副边侧还包括整流电路，所述的整流电路对所述N路输出电源进行整流以产生相互隔离的N路直流电源。
3.根据权利要求1所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述交流母线所产生的交流电通过推挽电路、正激电路、反激电路或斩波串联隔直电路产生。
4.根据权利要求2所述的有源多路隔离的输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)副边侧的整流电路为半波整流电路、全波整流电路或同步整流电路。
5.根据权利要求1至4任意一个所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)原边侧的开关器件(S1～Sn)或(S1～Sn-1)为二极管。
6.根据权利要求1至4任意所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)原边侧的开关器件(S1～Sn)或(S1～Sn-1)为MOSFET，所述的MOSFET由控制单元控制其通断。
7.根据权利要求1至4任意一个所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)原边侧的开关器件(S1～Sn)或(S1～Sn-1)为IGBT，所述的IGBT由控制单元控制其通断。
8.根据权利要求1至4任意一个所述的有源多路隔离输出电源，其特征在于，所述变压器(T1～Tn)原边侧的开关器件(S1～Sn)或(S1～Sn-1)为继电器。
9.一种有源电力滤波器，包括主功率电路，所述的主功率电路包括M组开关器件(K1～Km)以及其各自配套的驱动电路，其中，M为大于等于2的正整数；其特征在于，还包括：权利要求1所述的有源多路隔离输出电源，所述有源多路隔离输出电源的输入端接收电网侧的交流电源，给所述的驱动电路供电。
10.根据权利要求9所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述的开关器件(K1～Km)为IGBT或MOSFET。
11.根据权利要求9或10所述的有源电力滤波器，其特征在于，还包括：所述的有源多路隔离输出电源的变压器原边侧电路中串接的开关器件为二极管；所述变压器副边侧的整流电路为半周期不控整流电路。
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