CN104578820B - 一种高功率密度交流大电流发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种高功率密度交流大电流发生器，该发生器提出利用电力电子技术来实现大电流可调输出，可以大大提高功率密度和功率因数，实现自动高精度调节，便于携带及使用方便，提高使用寿命及可靠性。采用三级式结构，其中第一级为Boost PFC，第二级为LLC，第三级为交错并联全桥逆变器。第一级技术较为成熟。第二级输入电压较高，输出电压低电流大，提出采用多个变压器原边串联副边并联结构。第三级都属于低压输入更低压大电流输出，采用载波交错的方法保证输出电流波形质量，提高该级变换器的变换效率。

Description

一种高功率密度交流大电流发生器
技术领域
本发明涉及的是一种高功率密度交流大电流发生器，属于电力电子变换器技术领域。
背景技术
大电流互感器检测/校验需要提供50HZ的大电流源(如0～500A可调)，目前国内外传统的方法是采用自耦调压器加上大降压比隔离变压器，通过手动调节自耦调压器输出电压来调节输出电流的大小。该方法存在以下缺点：(1)手动调节不便使用；(2)体积重量大(500A重达数十公斤)，不便利携带；(3)可靠性低；(4)功率因数低。提高该测试设备的效率、减小体积重量使得便于外场检测使用以及提高设备寿命及可靠性是发展趋势。而开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源实现方式。本专利提出利用电力电子技术来实现大电流可调输出，可以大大提高功率密度和功率因数，实现自动高精度调节，便于携带及使用方便，提高使用寿命及可靠性。
传统的电流互感器原理如附图1。校验电流互感器或电流比较仪的误差,一般以比较法(差值法)为基础。实际接线时,升流器、标准互感器和被试互感器都是各自独立的部分，只需将它们放在适当的位置上，用相应截面的软铜线把标准互感器和被试互感器的一次侧与升流器的输出相连。一般情况下，在1k A以下只要求2kV A的电源容量。随着电流的增大，一次侧导线长度以及回路包围的面积也变大，回路等效电感增大，需要提供的无功功率显著增加，功率因数降低，所需功率快速增大，另一方面，由于经过50Hz降压变压器体积重量很大很不方便携带。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明旨在提出一种高功率密度交流大电流发生器，提高功率密度和功率因数，实现自动高精度调节，便于携带及使用方便，提高使用寿命及可靠性。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种高功率密度交流大电流发生器，其特征在于：该发生器采用三级式结构，包括一个AC/DC变换器、DC/DC隔离变换器以及DC/AC变换器；所述AC/DC变换器接市电电网，将电网电压变换为380V/DC，输出端连接第二级DC/DC隔离变换器，DC/DC隔离变换器将380V/DC变换为5V/DC，输出端连接第三级DC/AC变换器，电压由5V/DC变换为0～1V/AC。
所述DC/DC隔离变换器采用LLC拓扑，并工作于直流变压器模式，采用多个变压器原边串联副边并联(PSSP)结构。
所述DC/AC变换器采用共直流母线全桥逆变器交错并联实现大电流逆变。
有益效果：
本发明提供的一种高功率密度交流大电流发生器利用电力电子技术来实现，采用三级式结构，其中第一级为Boost PFC，第二级为LLC，由于第一级输出电压值较高且稳定、第三级输出50Hz大电流输出电压只有0～1V，输出电流及波形有闭环稳定控制，所以第二级用于实现高降压比隔离变换，其输出电压稳压精度要求不是很高，可以采用开环变压器工作状态。采用多个变压器原边串联副边并联(PSSP)结构，单个变压器匝比减小，使得原边漏感的值减小，从而使激磁电感与漏感比值增大，变换器的外特性变的更加平坦。第三级采用共直流母线全桥逆变器交错并联实现大电流逆变器，交错并联的控制策略大大降低了输出电流纹波。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
附图1是传统的电流发生器的结构图；
附图2是本发明提供的高功率密度交流大电流发生器示意图；
附图3是本发明中第二级DC/DC隔离变换器电路示意图；
附图4本发明中第三级DC/AC变换器电路示意图；
其中，Cr——谐振电容、Llkp1、Llkp2——原边漏感、Lm1、Lm2——激磁电感、Llks1、Llks2——副边漏感、RL——负载、VO——第二级输出电压；
Ui——直流母线电压，uo——大电流发生器的输出电压，L1、L2、L′1、L′2——滤波电感，——流过电感L1、L2、L′1、L′2的电流。
具体实施方式
本发明提供一种高功率密度交流大电流发生器，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本专利针对一种高功率密度交流大电流发生器，由电网电压220V/AC变换为0～1V/AC，针对低压大电流输出的特点，该发生器采用三级式结构，包括一个AC/DC变换器、DC/DC隔离变换器以及DC/AC变换器；所述AC/DC变换器接市电电网，将电网电压变换为380V/DC，输出端连接第二级DC/DC隔离变换器，DC/DC隔离变换器将380V/DC变换为5V/DC，输出端连接第三级DC/AC变换器，电压由5V/DC变换为0～1V/AC。
第一级采用Boost PFC，由电网电压220V/AC变换为380V/DC，它可有效地减少网侧输入电流谐波含量并提高电源功率因数。该级技术相对比较成熟，效率可以做到98％。
所述DC/DC隔离变换器采用LLC拓扑，并工作于直流变压器模式，采用多个变压器原边串联副边并联(PSSP)结构。以两个变压器PSSP结构为例，电路图如附图3所示，变压器原边串联，四个开关管采用全桥结构连接，谐振电容与变压器漏感以串联谐振的形式连接，变压器副边两路输出接整流二极管后并联至负载侧。具体的，输入电源的正极接入两个开关管的漏极，负极接另外两个开关管的源极，四个开关管两两串联，引出连接中点，接入谐振电容，两个的变压器原边串联形成回路；两个变压器以原边串联、副边并联的形式连接，变压器的副边每一路输出后接一个整流二极管的阴极，每个变压器的副边有一个中心抽头接至负载侧的正端，所有整流二极管的阳极接至负载侧的负端，负载电阻与滤波电容并联连接。由380V/DC变换为5V/DC，LLC谐振变换器元器件少、电路结构简单，可以在宽输入电压及宽负载变化范围内实现开关管的ZVS和整流二极管的ZCS，能够提高效率且电磁干扰小。
所述DC/AC变换器采用共直流母线全桥逆变器交错并联实现大电流逆变。第三级采用共直流母线全桥逆变器交错并联实现大电流逆变器，以两路交错并联为例，电路图如附图4所示，两个全桥逆变器交错并联，单个模块的滤波电感分裂为两个，且在电感输出侧并联至输出负载侧。具体的，输入电源的正极接入四个开关管的漏极，负极接另外四个开关管的源极，八个开关管两两串联，引出两两的连接中点，接入电感的一端，电感的另一端连接至负载侧，负载的两侧各接有两个电感，负载电阻与滤波电容并联连接形成负载侧。由5V/DC变换为0～1V/AC，结构简单，对各电感电流进行闭环控制以实现均流，且对于 载波交错的技术可以减小输出电流的纹波，以适应大电流的场合实现输出电流可控和整机的高效稳定工作。
当遇到更大功率场合时，LLC可用更多的变压器串联，这样一方面可以减少变压器漏感，使得外特性更加平缓，变换器性能得到提高。后级逆变器可以使用更多路的交错并联，从而实现更大输出电流。
由于第一级输出电压值较高且稳定、第三级输出50Hz大电流输出电压只有0～1V，输出电流及波形有闭环稳定控制，所以第二级用于实现高降压比隔离变换，其输出电压稳压精度要求不是很高，可以采用开环变压器工作状态。以两个变压器PSSP结构为例来分析，如附图4所示为两个变压器的PSSP结构电路图，由于采用原边串联副边并联结构，单个变压器匝比减小，使得原边漏感的值减小，从而使在PSSP形式中，假设激磁电感与漏感比值为k，可见k值增大后，变换器的外特性变的更加平坦。因此在更高匝比更高功率的要求下，条件允许的情况下可以用尽量多个变压器原边串联、副边并联的形式去减小漏感，增大k值，从而使变换器有更好的外特性。共开关管的LLC多变压器PSSP结构由于各变压器原边串联因此原边电流相等，减去各变压器磁化电流后乘上匝比即得到各变压器副边电流，因此从结构及工作原理分析可知只要保证各串联变压器磁化电感相差不大即可以保证各变压器副边基本均流，即各变压器功率均衡，即可以实现各变压器原边均压。
以两模块并联工作为例，主电路原理图如附图4所示。对于多相交错并联的逆变器，在理想状态下，各个电感电流是均流，但是由于实际电参数的差异，有必要对各电感电流进行闭环控制。在该电流源逆变器中，对各种电感电流的直接闭环控制可以实现对总的输出电流的控制，而交错并联的控制策略大大降低了输出电流纹波。
综上所述，本发明提供的高功率密度交流大电流发生器采用三级式结构，其中第一级为Boost PFC，第二级为LLC，第三级为交错并联全桥逆变器。第一级技术较为成熟。第二级输入电压较高，输出电压低电流大，提出采用多个变压器原边串联副边并联结构。第三级都属于低压输入更低压大电流输出，对每个电感电流进行闭环控制方法以保证输出电流波形质量，提高该级变换器的变换效率，并介绍其扩容的方法以适应更大功率等级。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种高功率密度交流大电流发生器，其特征在于：该发生器采用三级式结构，包括一个AC/DC变换器、DC/DC隔离变换器以及DC/AC变换器；所述AC/DC变换器接市电电网，将电网电压变换为380V/DC，输出端连接第二级DC/DC隔离变换器，DC/DC隔离变换器将380V/DC变换为5V/DC，输出端连接第三级DC/AC变换器，电压由5V/DC变换为0~1V/AC；
所述DC/DC隔离变换器采用LLC拓扑，工作于直流变压器模式，采用原边串联副边并联（PSSP）结构，其包括功率开关管、若干个变压器、谐振电容以及变压器漏感，所述变压器原边串联，四个开关管采用全桥结构连接，谐振电容与变压器漏感以串联谐振的形式连接，变压器副边两路输出接整流二极管后并联至负载侧；
所述DC/AC变换器采用共直流母线全桥逆变器交错并联实现大电流逆变，其包括两个全桥逆变器，滤波电感、电容器，所述全桥逆变器交错并联，单个模块的滤波电感分裂为两个，且在电感输出侧并联电容器以及输出负载。
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