CN104038051A - 脉冲直流电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲直流电源系统，该系统包括：对高压进行隔离的隔离变压器；直流电源，其包括：耦接于隔离变压器的充电电路，其包括并联的不可控整流器和第一BUCK电路，充电电路通过不可控整流器将隔离得到的交流电压整流为直流电压，并通过第一BUCK电路对整流后的直流电压进行调节；以及耦接于充电电路的二级电源，其包括并联的储能元件和第二BUCK电路，二级电源通过第一BUCK电路输出的直流电流对储能元件进行充电，并通过第二BUCK电路对储能元件释放的直流电压进行调节，以控制输出的电压。本发明实施例的脉冲直流电源系统具有设备体积小、系统利用率高、能量损耗小、谐波污染小的优点。

Description

脉冲直流电源系统

技术领域

本发明涉及直流电源领域，尤其涉及一种脉冲直流电源系统。

背景技术

随着我国工业的蓬勃发展，直流电源在工业上应用非常广泛。

现阶段的大功率脉冲直流电源的主要组成是桥式整流电路，该电路所涉及的整流器件一般采用二极管、晶闸管、IGBT等大功率半导体器件。由于这种电路结构比较简单、成本较低且技术成熟，因此在工业领域内的应用非常广泛。

由于上述这种大功率脉冲直流电源的设计思路是将长时间工作的直流电源短时开通，因此，在设计上一般会根据电源开通时间的占空比，对元器件、电缆等设备进行一定程度的降级，这样能够实现系统要求，也能够达到减少浪费、降低成本的目的。

虽然现有技术对设备进行了降级，但是由于电气设计的基本要求，除了某些器件外，其余部分仍然需要按照满功率的方式来设计，因此设计得到的电源中许多部分仍有较大的裕量。而且，降级使用元器件等设备的这种方式对于直流电源的稳定性、安全性、可改造性等也存在一定的影响。另外，由于这种结构的整流器件包括大量的非线性器件，且存在工作时间短、功率大的特点，会对电网造成较大的冲击，同时导致严重的谐波污染。

因此，如何解决上述问题，设计出一种降低谐波污染、提高系统利用率的脉冲直流电源系统乃业界所致力的课题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种脉冲直流电源系统，该系统能够降低谐波污染、提高系统利用率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种脉冲直流电源系统，包括：隔离变压器，对高压进行隔离；直流电源，其包括：耦接于所述隔离变压器的充电电路，其包括并联的不可控整流器和第一BUCK电路，所述充电电路通过所述不可控整流器将隔离得到的交流电压整流为直流电压，并通过第一BUCK电路对整流后的直流电压进行调节；以及耦接于所述充电电路的二级电源，其包括并联的储能元件和第二BUCK电路，所述储能元件为超级电容，所述二级电源通过所述第一BUCK电路输出的直流电流对所述储能元件进行充电，并通过第二BUCK电路对所述储能元件释放的直流电压进行调节，以控制输出的电压。

在一个实施例中，所述第二BUCK电路包括：由多个IGBT并联组成的IGBT开关模块，所述IGBT开关模块的一端与所述储能元件的正极耦接；二极管，其反接在所述IGBT开关模块的另一端和所述储能元件的负极之间；以及电抗器，其与所述IGBT开关模块的另一端耦接；其中，所述IGBT开关模块的控制模式为移相控制。

在一个实施例中，所述IGBT开关模块的各个IGBT的控制脉冲相位差为(360/n)°，其中n表示IGBT的个数。

在一个实施例中，所述不可控整流器为二极管。

在一个实施例中，所述第一BUCK电路包括：一个IGBT开关，其一端与所述不可控整流器输出电压的正极耦接；二极管，其反接在所述IGBT开关的另一端和不可控整流器输出电压的负极之间；以及电抗器，其与所述IGBT开关的另一端耦接。

在一个实施例中，所述隔离变压器为具有高压隔离特性的特种变压器。

在一个实施例中，所述直流电源采用光纤通信的模式与外部控制信号进行通信。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明采用小功率电路进行整流充电，采用能量密度高的超级电容作为储能元件储存电能，再进行集中释放。这种拓扑结构由于充电电流小、电压低，因此对电网的冲击较小，并且，由于充电功率小，因此所引起的谐波污染也较小。另外，虽然本电路结构中也存在非线性元件，但是由于本发明的充电电路采用不可控整流器和BUCK电路相结合的结构，能够进一步有效的控制注入电网的谐波，因此本发明具有能量损耗小、污染小的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明实施例的脉冲直流电源系统的拓扑结构图；

图2是二级电源的BUCK电路的结构示意图；

图3是对IGBT开关模块进行移相控制的时序图；

图4是对脉冲直流电源系统进行控制的时序图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

图1是根据本发明实施例的脉冲直流电源系统的拓扑结构图。如图1所示，该脉冲直流电源系统的主电路拓扑包括隔离变压器10和直流电源。该直流电源包括充电电路20和二级电源30。其中，充电电路20耦接于隔离变压器10，且充电电路20包括并联的不可控整流器21以及BUCK电路23。二级电源30耦接于充电电路20，且二级电源30包括作为储能元件的超级电容31和BUCK电路33。

BUCK电路23包括：作为开关1的一个IGBT开关，其一端与不可控整流器21输出电压的正极耦接；二极管，其反接在IGBT开关的另一端和不可控整流器21输出电压的负极之间；以及电抗器，其与IGBT开关的另一端耦接。

BUCK电路33包括：开关2，该开关2的一端与储能元件的正极耦接；二极管，其反接在开关2的另一端和储能元件的负极之间；以及电抗器，其与开关2的另一端耦接。

隔离变压器10为具有高压隔离特性的特种变压器，其对高电压进行隔离。例如该隔离变压器可以对100KV以上的电压进行隔离，当然，本领域技术人员根据需要可以任意设置隔离变压器所要隔离的电压值。另外，包括充电电路20和二级电源30的直流电源通过光纤通信模式与外部的控制信号通信。这样，由于本实施例的系统采用具有高压隔离特性的特种变压器进行一次线路高压隔离、采用光纤进行二次信号的隔离，因此该系统具有隔离电压高的优点，而且直流电源能够应用于高压平台设备等特殊环境中。

充电电路20能够通过不可控整流器21将隔离得到的交流电压整流成为直流电压，然后通过BUCK电路23对整流后的直流电压进行调节，输出直流电压进而为二级电源30充电。在一个实施例中，不可控整流器21为二极管。

相比采用整流滤波后的恒压充电方式，基于BUCK电路的恒流或恒功率控制充电方式的优点在于：这种方法采用小功率电路进行整流，采用能量密度高的超级电容作为储能元件储存电能，再进行集中释放。因此，需要的充电功率小，瞬时释放的能量大。对于变压器的容量要求也比较低。另外，虽然本电路结构中也存在非线性元件，但是由于充电电路采用二极管和BUCK电路相结合的结构，能够进一步有效的控制注入电网的谐波。

二级电源30能够通过BUCK电路23输出的直流电流对储能元件进行充电，并通过BUCK电路33对超级电容31中释放的直流电压进行调节，以达到控制输出电压的目的。

本实施例采用小功率电路进行整流充电，采用能量密度高的超级电容作为储能元件储存电能，再进行电能的集中释放。相比现有的直流电源系统来说，上述这种拓扑结构由于充电电流小、电压低，因此对电网的冲击较小，且因为充电功率小，因此所造成的谐波污染也相对较小。

另外，需要说明的是，超级电容是一种新型储能元件，具有以下优异特性：功率密度高(一般大于1kW/kg，可达到几十kW/kg)、循环使用寿命长(约10万次)、温度特性好、使用温度宽(大约-40～70℃)、温升小及充放电迅速(0.3s～15min)、使用过程中不发生化学反应而没有环境污染、漏电流小至近千倍、等效串联内阻(ESR)小和相对成本低。

相比化学电池来说，超级电容具有充电快、体积小、使用寿命长的优点，相比普通静电电源来说，超级电容具有存储能量大的优点。超级电容最大的技术特点就是其功率密度很大，能量可以短时迅速的释放。

另外，为了提高弧流电源的控制灵敏度、精度以及减少整个直流电源的体积，需要提高开关电源的开关频率。受到器件和散热的限制，在大电流工作时，IGBT的开关频率不能太高，为此，本实施例中的BUCK电路33中的开关2设置为由n个IGBT并联组成的IGBT开关模块(如图2所示)，用以提高开关频率。各个IGBT的控制脉冲相位相差为(360/n)°，例如，若设定PWM信号的频率为5kHz，则电路的工作频率为5nkHz。

开关2中的各个IGBT采用移相控制模式，不同的IGBT对应不同的脉冲信号，具体的控制信号时序如图3所示。这样，由于BUCK电路33中的IGBT开关模块采用移相控制的方式，能够提高BUCK电路33的开关频率，同时减小单个IGBT的开关频率。进而能够提高直流输出的灵敏度与精度，降低单个IGBT的功耗，提高系统的可靠性。

图4是对图1所示脉冲直流电源系统进行控制的时序图，BUCK电路23的时序为图中的BUCK1的波形图，BUCK电路33的时序为图中的BUCK2的波形图。下面详细说明该系统处于同一个周期不同时序下的控制过程，该控制过程包括充电过程、充电保持过程和放电过程。

(1)充电过程

在该过程中，BUCK电路23的开关1根据施加的脉冲信号处于开启状态。

系统采用市电供电的方式，市电经过系统的隔离变压器10进行变压隔离后，隔离后的交流电压输入至不可变整流器21的输入端，然后通过该整流器21将交流电转化为直流电。通过BUCK电路23对转化后的直流进行变换，输出可控的直流电对超级电容31进行充电。因为超级电容的充放电速度都非常快，充电可以在几十秒内完成。当然也可以参考现场工况来设置适当的充电时间。

(2)电能保持过程

在对超级电容31充电完成后，使BUCK电路23的开关1关闭，对所充的电能进行保持。

(3)放电过程

根据系统要求，调节开关2(IGBT开关模块)的开关频率，输出系统所需要的直流电源。

综上所述，相比现有的脉冲直流电源来说，由于设计本发明实施例的脉冲直流电源系统的思路具有较大差异，因此本发明实施例的脉冲直流电源系统具有设备体积小、系统利用率高、能量损耗小、谐波污染小、隔离电压高以及控制精度高的优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种脉冲直流电源系统，其特征在于，包括：

隔离变压器，其对高压进行隔离；

直流电源，其包括：

耦接于所述隔离变压器的充电电路，其包括并联的不可控整流器和第一BUCK电路，所述充电电路通过所述不可控整流器将隔离得到的交流电压整流为直流电压，并通过第一BUCK电路对整流后的直流电压进行调节；以及

耦接于所述充电电路的二级电源，其包括并联的储能元件和第二BUCK电路，所述储能元件为超级电容，所述二级电源通过所述第一BUCK电路输出的直流电流对所述储能元件进行充电，并通过第二BUCK电路对所述储能元件释放的直流电压进行调节，以控制输出的电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二BUCK电路包括：

由多个IGBT并联组成的IGBT开关模块，所述IGBT开关模块的一端与所述储能元件的正极耦接；

二极管，其反接在所述IGBT开关模块的另一端和所述储能元件的负极之间；以及

电抗器，其与所述IGBT开关模块的另一端耦接；

其中，所述IGBT开关模块的控制模式为移相控制。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，

所述IGBT开关模块的各个IGBT的控制脉冲相位差为(360/n)°，其中n表示IGBT的个数。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，

所述不可控整流器为二极管。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一BUCK电路包括：

一个IGBT开关，其一端与所述不可控整流器输出电压的正极耦接；

二极管，其反接在所述IGBT开关的另一端和不可控整流器输出电压的负极之间；以及

电抗器，其与所述IGBT开关的另一端耦接。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述隔离变压器为具有高压隔离特性的特种变压器。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，

所述直流电源采用光纤通信的模式与外部控制信号进行通信。