CN104467363A - 一种大功率电源功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大功率电源功率变换器,涉及一种基于IGBT器件的大功率变换器。该变换器包括叠层母排（1）、IGBT（2）、输出母排（3）、驱动电路（4）、光电转换电路（5）、RCD电路（6）、水冷散热器（7）、储能电容（8），所述叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端；驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分以控制IGBT（2）的开通与关断，IGBT（2）安装于水冷散热器（7）上，驱动电路（4）焊接在IGBT（2）上。该变换器具有节约电源生产时间和生产成本,提高产品可靠性的效果。

Description

一种大功率电源功率变换器
技术领域
本发明涉及功率变换器，尤其涉及基于IGBT器件的大功率变换器，实现大电流DC/DC变换，属于电力电子技术，电气传动领域，具体地说是一种大功率电源功率变换器。
背景技术
最近十几年来，科研用大型加速器蓬勃发展，由此发展而来的高速离子束治疗癌症技术也已成功应用于临床，大型加速器技术实现民用；此类加速器需要大量高精度，高可靠性，大容量电源，且此类电源皆为非标设备，输出电流从几十安培至几千安培不定，输出电压从1伏特至几千伏特不定，需要量身定做；非标设备的一个显著特点就是设计、生产周期长，成本高；电源功率变换部分是电源的核心，将其标准化可以大大降低设计难度，缩短制造周期，并且可以保证质量，提高可靠性。
发明内容
本发明提出一种大功率电源功率变换器，通过模块的不同组合，实现多种托卜结构，还能够实现大电流低电压、小电流高电压、大电流高电压输出，以及直流、交流电的输出。
为实现上述目的，本发明所述的一种大功率电源功率变换器，包括叠层母排（1）、IGBT（2）、输出母排（3）、驱动电路（4）、光电转换电路（5）、RCD电路（6）、水冷散热器（7）、储能电容（8），其特征在于：叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端；驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，控制IGBT（2）的开通与关断，IGBT（2）安装于水冷散热器（7）上，驱动电路（4）焊接在IGBT（2）上。
所述叠层母排（1）由叠层母排固定件（12）固定于模块上支架（16）上，叠层母排（1）由叠层母排负（13）、叠层母排正（14）、正负叠层母排绝缘件（15）组成，叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上，起到储存能量、抑制输入电压波动的作用；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端，负责把能量送出变换器，其为整个变换器的终端。
所述驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，光电转换电路（5）负责将控制器发出的光脉冲信号转换成电脉冲信号，此电信号送入驱动电路（4），驱动电路（4）将光电转换电路（5）送入的电压信号转换成有5A-32A带载能力的电脉冲以控制IGBT（2）的开通与关断。
所述RCD电路（6）由电阻R、电容C和二极管D构成；所述R、D安装在水冷散热器（7）上，C安装在RCD电路板（17）上，RCD电路板（17）压接在RCD元件（20）上，用于吸收IGBT（2）工作时产生的电压尖峰；IGBT（2）安装在水冷散热器（7）上以散热，水冷散热器（7）上还设置有模块过热保护元件（21），以保证IGBT（2）正常散热。IGBT（2）为整个变换器的核心器件，其他元器件和电路都是为IGBT（2）的工作提供帮助。
所述叠层母排（1）上共连接有9只450V6800uF电解电容（9）；驱动电路（4）和光电转换电路（5），将控制器发来的驱动信号从光信号转换为电信号送入IGBT驱动板（18）进而控制IGBT（2）的开通和关断，模块以何种模式工作由此驱动信号决定。
所述输出母排（3）为功率输出部分，用于buck为一根母排。
所述输出母排（3）为功率输出部分，用于双buck和H桥时为两根母排，分别为输出母排+（23）和输出母排-（24）。
所述IGBT（2）通过光纤把控制器信号送至光电转换板（19），光电转换板上（19）有20针插座，通过20针扁平电缆把驱动脉冲送至IGBT驱动板（18）以驱动IGBT(2)工作。
所述输出母排（3）的连接件上设置有输出磁环组（22）。
实现功能一说明：
1.双buck模式：一个模块就能够以双buck模式工作，最大输出DC600A400V；如需输出更大电压输出时，将2个或更多模块串联，实现更高电压输出；如果需要更大电流输出，将2个IGBT并联使用，这样一个功率模块只作为一个桥臂，增加一个同样的功率模块作为另一个桥臂，实现DC1000A输出；
2.H桥模式：一个功率模块就是一个完整H桥，实现单相220V交流输出；给每相桥臂串联更多的功率模块，再组成三相逆变电路，实现更高三相交流电压输出；
3.H桥模式改为buck模式：只保留1个IGBT，输出母排更换为对应输出母排即可；
4.工作原理介绍：外部直流电源通过叠层母排接入功率模块，电解电容对输入电源储能和滤波， IGBT将叠层母排送来的能量通过PWM的方式输出至输出母排，再送至负载；电源控制系统对于不同的托卜结构发出相应的控制信号，该信号用光纤送至光电转换电路，光电转换电路再以电信号的方式送到IGBT驱动电路，驱动电路控制IGBT开通与关断，从而将控制系统的意图转换为符合使用要求的大功率输出。
实现功能二说明：
1.buck：单个功率模块可是输出DC600A，当需要大电流时，用管并的方式，水冷散热器有2只IGBT安装位置，即在水冷散热器增加一只IGBT和相应RCD电路即可实现，此时将2个IGBT模块当作一个IGBT模块来看待，容量更大，最大可输出DC1000A；
2.当需更大电流时，把管并的功率模块多个并联，实现更大电流输出；
3.buck模式转为H桥模式：在水冷散热器增加1只IGBT及其驱动板，RCD吸收电路，配上相应输出母排即可。
本发明所述的一种大功率电源功率变换器，其有益效果在于：将非标电源功率变换器部分标准化，降低了非标电源设计、生产难度，提高了效率和可靠性，将多模块组合实现大电流低电压、小电流高电压、大电流高电压输出；能够实现直流、交流输出；此设计大大节约了电源生产时间和生产成本，创造了可观的经济效益，能够广泛应用于如：加速器电源，电镀电源以及冶金电源等。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明两个IGBT完整功率模块示意图；
图中：1-叠层母排、2-IGBT、3-输出母排、4-驱动电路、5-光电转换电路、6-RCD电路、7-水冷散热器、8-储能电容；
图2为电解电容装在模块内部示意图；
图中：9-电解电容、10-输出母排固定件、11-模块下支架；
图3为叠层母排安装在模块支架上示意图；
图中：12-叠层母排固定件、13-叠层母排负、14-叠层母排正、15-正负叠层母排绝缘件、16-模块上支架；
图4为 IGBT及驱动电路、水冷散热器、RCD电路安装示意图；
图中：17-RCD电路板、18-IGBT驱动板、19-光电转换板、20-RCD元件、21-模块过热保护元件；
图5为buck输出母排示意图；
图中：22-输出磁环组；
图6 为H桥输出母排示意图；
图中：23-输出母排+、24-输出母排-；
图7为本发明单个IGBT完整功率模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的其中一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种大功率电源功率变换器，包括叠层母排（1）、IGBT（2）、输出母排（3）、驱动电路（4）、光电转换电路（5）、RCD电路（6）、水冷散热器（7）、储能电容（8），其中叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端；驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，控制IGBT（2）的开通与关断，IGBT（2）安装于水冷散热器（7）上，驱动电路（4）焊接在IGBT（2）上；叠层母排（1）由叠层母排固定件（12）固定于模块上支架（16）上，叠层母排（1）由叠层母排负（13）、叠层母排正（14）、正负叠层母排绝缘件（15）组成，叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上，起到储存能量、抑制输入电压波动的作用；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端，负责把能量送出变换器，其为整个变换器的终端；驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，光电转换电路（5）负责将控制器发出的光脉冲信号转换成电脉冲信号，此电信号送入驱动电路（4），驱动电路（4）将光电转换电路（5）送入的电压信号转换成有较大带载能力的+15V、-9V电脉冲以控制IGBT（2）的开通与关断；RCD电路（6）由电阻R、电容C和二极管D构成；所述R、D安装在水冷散热器（7）上，C安装在RCD电路板（17）上，RCD电路板（17）压接在RCD元件（20）上，用于吸收IGBT（2）工作时产生的电压尖峰；IGBT（2）安装在水冷散热器（7）上以散热，水冷散热器（7）上还设置有模块过热保护元件（21），以保证IGBT（2）正常散热。IGBT（2）为整个变换器的核心器件，其他元器件和电路都是为IGBT（2）的工作提供帮助；叠层母排（1）上共连接9只450V6800uF电解电容（9）；驱动电路（4）和光电转换电路（5），将控制器发来的驱动信号从光信号转换为电信号送入IGBT驱动板（18）进而控制IGBT（2）的开通和关断，模块以何种模式工作由此驱动信号决定；输出母排（3）为功率输出部分，分别为输出母排+（23）和输出母排-（24）；IGBT（2）通过光纤把控制器信号送至光电转换板（19），光电转换板上（19）有20针插座，通过20针扁平电缆把驱动脉冲送至IGBT驱动板（18）以驱动IGBT(2)工作；输出母排（3）的连接件上设置有输出磁环组（22）。
双buck模式时：输出母排（3）如附图6，一个模块就能够以双buck模式工作，最大输出DC600A400V；如需输出更大电压输出时，将2个或更多模块串联，实现更高电压输出；如果需要更大电流输出，将2个IGBT并联使用，这样一个功率模块只作为一个桥臂，增加一个同样的功率模块作为另一个桥臂，实现DC1000A输出。
实施例2
H桥模式时：输出母排（3）如附图6，其余组件同实施例1，一个功率模块就是一个完整H桥，实现单相220V交流输出；给每相桥臂串联更多的功率模块，多桥臂组成三相逆变电路，实现更高三相交流电压输出。
实施例3
H桥模式改为buck模式时：输出母排见图5，其余组件同实施例1，只留1个IGBT和相应驱动板即可。
实施例4
1.输出母排见图5，其余组件同实施例1；
2.buck：单个功率模块能够输出DC600A，当需要大电流时，用管并的方式，即在水冷散热器右侧空白处增加一只IGBT和相应RCD电路即可实现，此时将2个IGBT模块当作一个IGBT模块来看待，容量更大，最大可输出DC1000A；
3.当需更大电流时，把管并的功率模块多个并联，实现电流输出。
实施例5
1.buck模式转为H桥模式时：输出母排见图6，其余组件同实施例1；在水冷散热器上增加1只IGBT及其驱动板和RCD吸收电路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率电源功率变换器，包括叠层母排（1）、IGBT（2）、输出母排（3）、驱动电路（4）、光电转换电路（5）、RCD电路（6）、水冷散热器（7）、储能电容（8），其特征在于：所述叠层母排（1）连接外部直流电源，负责能量接收并传递给IGBT（2），储能电容（8）就安装在叠层母排（1）上；输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端；驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，控制IGBT（2）的开通与关断，IGBT（2）安装于水冷散热器（7）上，驱动电路（4）焊接在IGBT（2）上。
2.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述叠层母排（1）由叠层母排固定件（12）固定于模块上支架（16）上，叠层母排（1）由叠层母排负（13）、叠层母排正（14）、正负叠层母排绝缘件（15）组成，输出母排（3）连接在IGBT（2）的输出端，负责把能量送出变换器，其为整个变换器的终端。
3.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述驱动电路（4）和光电转换电路（5）为变换器的控制部分，光电转换电路（5）负责将控制器发出的光脉冲信号转换成电脉冲信号，此电信号送入驱动电路（4），驱动电路（4）将光电转换电路（5）送入的电压信号转换成有5A-32A带载能力的电脉冲以控制IGBT（2）的开通与关断。
4.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述RCD电路（6）由电阻R、电容C和二极管D构成；所述R、D安装在水冷散热器（7）上，C安装在RCD电路板（17）上，RCD电路板（17）压接在RCD元件（20）上，用于吸收IGBT（2）工作时产生的电压尖峰；IGBT（2）安装在水冷散热器（7）上以散热，水冷散热器（7）上还设置有模块过热保护元件（21），以保证IGBT（2）正常散热。
5.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述叠层母排（1）上共连接9只450V6800uF电解电容（9）；驱动电路（4）和光电转换电路（5），将控制器发来的驱动信号从光信号转换为电信号送入IGBT驱动板（18）进而控制IGBT（2）的开通和关断。
6.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述输出母排（3）为功率输出部分，用于buck为一根母排。
7.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述输出母排（3）为功率输出部分，用于双buck和H桥时为两根母排，分别为输出母排+（23）和输出母排-（24）。
8.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述IGBT（2）通过光纤把控制器信号送至光电转换板（19），光电转换板上（19）有20针插座，通过20针扁平电缆把驱动脉冲送至IGBT驱动板（18）以驱动IGBT(2)工作。
9.如权利要求1所述一种大功率电源功率变换器，其特征在于：所述输出母排（3）的连接件上设置有输出磁环组（22）。
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