CN103762864B - 用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源 - Google Patents

Abstract

用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，包括前级逆变器、级联变压器组、多个分布式变压器和多个本地变压器；所述级联变压器组由多个级联变压器级联而成，首个级联变压器原边与前级逆变器的输出级连接，所述级联变压器副边由输出边和馈能边组成，所述馈能边与分布式变压器原边连接，输出边与下一级联变压器的原边连接，所述分布式变压器输出级绕组与本地变压器原边连接,所述本地变压器还包括与其输出级绕组连接的整流稳压电路。本发明可以为脉冲功率装置、电力电子装置、换流阀等提供高电压隔离的多路供电，具有隔离电压高，输出路数多，稳定性与抗干扰性强、效率高等特点，特别适合于200kV以上悬浮电压装置或多个器件的隔离供电。

Description

用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源。

背景技术

近年来随着半导体器件的快速发展和成熟，尤其是耐压与功率容量的提升，使其在脉冲功率领域与高压电力电子领域有了广泛的应用，在装置的电路结构拓扑中，一般会使用多个半导体器件串联使用，这样很多半导体开关的地电位将会悬浮在很高的点位下，其驱动与外围电路的电源必须悬浮隔离，并且各路之间也需要相互隔离。

发明内容

为满足离散分布的大量高压半导体器件或其他高压设备的多路高压隔离供电需求，本发明公开了一种用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源。

本发明所述用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，包括前级逆变器、级联变压器组、多个分布式变压器和多个本地变压器；所述级联变压器组由多个级联变压器级联而成，首个级联变压器原边与前级逆变器的输出级连接，所述级联变压器副边由输出边和馈能边组成，所述馈能边与分布式变压器原边连接，输出边与下一级联变压器的原边连接，所述分布式变压器输出级绕组与本地变压器原边连接,所述本地变压器还包括与其输出级绕组连接的整流稳压电路。

优选的，所述级联变压器之间串联有尖峰抑制器，所述尖峰抑制器由并联在前级级联变压器输出端之间第一支路和第二支路组成，所述第一支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；第二支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；所述第一支路的二极管公共端和第二支路的二极管公共端之间连接有第一电容和第一电阻，所述快恢复二极管的反向恢复时间小于100纳秒。

进一步的，所述尖峰抑制器还包括并联在前级级联变压器输出端之间的第三支路，所述第三支路串联有一对正极互连的齐纳二极管和熔丝电阻。所述第三支路还包括与熔丝电阻并联的发光二极管。

优选的，所述整流稳压电路由第四支路、第五支路、滤波电容和直流转换器组成，所述第四支路和第五支路并联在本地变压器的输出级绕组之间，所述第四支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；第五支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；所述快恢复二极管的反向恢复时间小于100纳秒；所述滤波电容为极性电容，正、负极分别连接第五支路和第四支路的二极管公共节点，滤波电容的正、负极还分别与直流转换器的正、负输入端连接。

进一步的，所述整流稳压电路还包括共模变压器，所述共模变压器由串联在直流转换器正、负输入端和滤波电容正、负极之间的两个采用同相绕法，大小相等的电感组成。

进一步的，所述滤波电容的正负极之间还连接有稳压二极管。

优选的，所述前级逆变器由全桥整流电路、LC滤波级和逆变级组成，所述LC滤波级由串联在全桥整流电路正向输出端的前级电感和并联在全桥整流电路两个输出端之间的第二电容组成，所述逆变级由逆变桥和控制逆变桥开关顺序的控制电路组成。

优选的，所述前级逆变器还包括串联在LC滤波级的电感和全桥整流电路正向输出端之间的软启动电路，所述软启动电路由电阻、与电阻并联的开关器件及控制该开关器件的计时器芯片组成。

优选的，所述分布式变压器和/或本地变压器的输出级有多个绕组

本发明可以为脉冲功率装置、电力电子装置、换流阀等提供高电压隔离的多路供电，具有耐压强度高，输出路数多，稳定性与抗干扰性强等特点，特别适合于200kV以上悬浮电压装置或多个器件的隔离供电。

附图说明

图1为本发明所述用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源的一种具体实施方式拓扑结构示意图；

图2示出本发明所述前级逆变器的一种具体实施方式示意图；

图3示出本发明所述尖峰抑制器的一种具体实施方式示意图；

图4示出本发明所述整流稳压电路的一种具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，包括前级逆变器、级联变压器组、多个分布式变压器和多个本地变压器；所述级联变压器组由多个级联变压器级联而成，首个级联变压器原边与前级逆变器的输出级连接，所述级联变压器副边由输出边和馈能边组成，所述馈能边与分布式变压器原边连接，输出边与下一级联变压器的原边连接，所述分布式变压器输出级绕组与本地变压器原边连接,所述本地变压器还包括与其输出级绕组连接的整流稳压电路。

本发明利用前级逆变器将工频市电变成高频的交流电压，通过级联变压器组、分布式变压器与本地变压器，完成电压多路分配与隔离，各个本地变压器得到的交流信号经整流稳压电路整流滤波后，得到直流电。

前级逆变器可以采用全桥或半桥或其他形式将交流电转化为直流电，本实施例中，如图2所示，前级逆变器由全桥整流电路、LC滤波级和逆变级组成，所述LC滤波级由串联在全桥整流电路正向输出端的前级电感和并联在全桥整流电路两个输出端之间的第二电容组成，所述逆变级由逆变桥和控制逆变桥开关顺序的控制电路组成。全桥整流电路，前级电感和第二电容实现工频市电的整流滤波，其中第二电容可以由极性电容C1 和非极性电容C2 组成；

其中极性电容采用极性电容，不仅体积小而且电容量大，非极性电容具有充放电能力强、适应高频工作的优点，采用极性电容和非极性电容配合使用，既能获得大容值，同时具备强充放电能力。

可以在前级逆变器中增加用于上电启动阶段的软启动电路，所述软启动电路由电阻、与电阻并联的开关器件及控制该开关器件的计时器芯片组成，如图1所示，电阻和开关器件并联后连接在全桥整流电路的正向输出端和前级电感L1之间，计时器芯片用于控制该开关器件的开启和关断，在启动阶段，通过计时器设定一定时长，断开开关器件J1，全桥整流电路输出端对第二电容的充电只能通过电阻R1进行，由于R1的存在，使得充电电流被限制，在上电启动阶段，由于电容电压偏低，充电电流容易出现大幅快速增加，容易产生具有破坏作用的高压及大电流，采用软启动电路，使充电电流幅值被限制，直到第二电容上的电压到达预设值，此时闭合开关J1，充电电流仍然在安全范围内进行充电，不会产生破坏作用。

变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压，次级线圈，即输出边中可能包含一个或多个绕组。

级联变压器组、分布式变压器和本地变压器均为常规变压器，采用层层相联的连接方式实现电压分布馈能，可以将级联变压器的输出电压隔离后分成多路，级联变压器的输出边包含多个绕组，每一绕组连接一个分布式变压器，分布式变压器的输出边同样包含多个绕组，每一绕组连接一个本地变压器。

一种优选实施方式为在所述级联变压器之间串联有尖峰抑制器，所述尖峰抑制器由并联在前级级联变压器输出端之间第一支路和第二支路组成，所述第一支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；第二支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；所述第一支路的二极管公共端和第二支路的二极管公共端之间连接有第一电容和第一电阻，所述快恢复二极管的反向恢复时间小于100纳秒。

如图3所示，第一支路和第二支路的四个二极管构成桥堆，电容C1将尖峰脉冲所含电量快速吸收在电容中，并通过电阻R1将吸收的能量释放。为提高电路安全性，可以设置并联在前级级联变压器输出端之间的第三支路，所述第三支路串联有一对正极互连的齐纳二极管和熔丝电阻。所述第三支路还包括与熔丝电阻并联的发光二极管。第三支路平时不导通，图3中的两个正极互连的齐纳二极管使后级变压器的输入端之间出现无论正负的大压差时均会自动击穿稳压，一旦击穿后，第三支路实际导通，大电流流过熔丝电阻X1后发热使其熔断，电流流经发光二极管ZL-LED驱动其发光报警。

构成桥堆的四个二极管D1、D2、D3、D4均为快恢复二极管，快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压（耐压值）较高，快恢复二极管的反向恢复时间一般在5微秒以内。

整流稳压电路的作用是跟随本地变压器，将本地变压器输出的交流电压转化为可供用电设备直接使用的直流电，并对直流电的电压值进行设定。如图4所示给出整流稳压电路的一种具体实施方式，所述整流稳压电路由第四支路、第五支路、滤波电容和直流转换器组成，所述第四支路和第五支路并联在本地变压器的输出级绕组之间，所述第四支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；第五支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；所述滤波电容为极性电容，正、负极分别连接第五支路和第四支路的二极管公共节点，滤波电容的正、负极还分别与直流转换器的正、负输入端连接。

第四和第五支路构成桥堆将交流电整流为半波直流，滤波电容的作用是将交流电中的高频杂波滤除，通过后续的直流转换器将半波直流电转换为电压值恒定的直流电源，直流转换器可以采用现有的集成电路芯片，例如LTC3825，将输入200V以上高频直流电转化为低压直流电输出。

还可以设置共模变压器G1，所述共模变压器由串联在直流转换器正、负输入端和滤波电容正、负极之间的两个采用同相绕法，大小相等的电感组成。当交流信号有共模杂波时，两个电感产生相反的磁通量，互相抵消，从而消除杂波。为进一步提高安全性，所述滤波电容的正负极之间还连接有稳压二极管D1 ，将输入到直流转换器的电压幅值限定在一定范围内，避免高压破坏直流转换器。

前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，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 (8)

1.用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，包括前级逆变器、级联变压器组、多个分布式变压器和多个本地变压器；所述级联变压器组由多个级联变压器级联而成，首个级联变压器原边与前级逆变器的输出级连接，所述级联变压器副边由输出边和馈能边组成，所述馈能边与分布式变压器原边连接，输出边与下一级联变压器的原边连接，所述分布式变压器输出级绕组与本地变压器原边连接,所述本地变压器还包括与其输出级绕组连接的整流稳压电路；

所述级联变压器之间串联有尖峰抑制器，所述尖峰抑制器由并联在前级级联变压器输出端之间第一支路和第二支路组成，所述第一支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；第二支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；所述第一支路的二极管公共端和第二支路的二极管公共端之间连接有第一电容和第一电阻，所述快恢复二极管的反向恢复时间小于100纳秒。

2.如权利要求1所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述尖峰抑制器还包括并联在前级级联变压器输出端之间的第三支路，所述第三支路串联有一对正极互连的齐纳二极管和熔丝电阻；所述第三支路还包括与熔丝电阻并联的发光二极管。

3.如权利要求1所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述整流稳压电路由第四支路、第五支路、滤波电容和直流转换器组成，所述第四支路和第五支路并联在本地变压器的输出级绕组之间，所述第四支路串联有一对正极互连的快恢复二极管；第五支路串联有一对负极互连的快恢复二极管；所述快恢复二极管的反向恢复时间小于100纳秒；

所述滤波电容为极性电容，正、负极分别连接第五支路和第四支路的二极管公共节点，滤波电容的正、负极还分别与直流转换器的正、负输入端连接。

4.如权利要求3所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述整流稳压电路还包括共模变压器，所述共模变压器由串联在直流转换器正、负输入端和滤波电容正、负极之间的两个采用同相绕法，大小相等的电感组成。

5.如权利要求3所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述滤波电容的正负极之间还连接有稳压二极管。

6.如权利要求1所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述前级逆变器由全桥整流电路、LC滤波级和逆变级组成，所述LC滤波级由串联在全桥整流电路正向输出端的前级电感和并联在全桥整流电路两个输出端之间的第二电容组成，所述逆变级由逆变桥和控制逆变桥开关顺序的控制电路组成。

7.如权利要求6所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述前级逆变器还包括串联在LC滤波级的电感和全桥整流电路正向输出端之间的软启动电路，所述软启动电路由电阻、与电阻并联的开关器件及控制该开关器件的计时器芯片组成。

8.如权利要求1所述的用于半导体开关串联的多路高压隔离供电电源，其特征在于，所述分布式变压器和/或本地变压器的输出级有多个绕组。