CN104821727B - 一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，包括直流母线电压输入、开环隔离DC/DC电路以及闭环隔离DC/DC电路；所述直流母线电压输入的输入端连接电力设备的直流母线，输出端连接所述开环隔离DC/DC电路；所述开环隔离DC/DC电路的输出端连接所述闭环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路的输出端输出电压Vo。本发明采用两级隔离DC/DC电路，且前级为开环、后级为闭环，可以实现较大的电气间隙和爬电距离，使其能适用于高过电压等级高海拔的场所；同时使开关电源能够兼容从直流母线和外部输入电源上同时取电，确保开关电源在某些工况下能够持续供电。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备的开关电源，尤其涉及一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源。
背景技术
在电力设备当中，例如：变频器、风电变流器、光伏逆变器，电力设备的开关电源从电力设备的直流母线上进行取电是一种常见的设计方案。
如图1所示的一种开关电源，其包括直流母线电压输入、闭环隔离DC/DC电路以及开关电源输出端Vo。图1所示的开关电源在一般的应用场合只能达到基本绝缘，不适用于高过电压等级高海拔应用场合。而且该开关电源没有冗余输入，不能兼容从常用的外部输入电源上进行取电，例如：单相交流输入电源、直流低压输入电源（如+24V，+15V等）。但是对于变频器、风电变流器、光伏逆变器等电力设备，在某些工况下（例如：风电变流器要求低压穿越不脱网时或变频器要求电网掉电实现瞬停不停时等）要求电力设备能够持续供电，图1的开关电源无法满足该设计要求。
在高过电压等级高海拔应用场合，需要考虑高过电压等级和高海拔带来的安规问题，图1的开关电源在高过电压等级高海拔应用场合连基本绝缘都达不到。且通常只能满足过电压II级，不能满足高过电压III级的使用情形。（过电压I级：信号水平级，低压低能量级别，并带保护装置，如低压电子逻辑系统；过电压II级：负载水平级，低压高能量，如控制电动机用电器；过电压III级：配电及控制水平级，高压高能量，如配电干线）。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源。
本发明是这样实现的：一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，包括直流母线电压输入、开环隔离DC/DC电路以及闭环隔离DC/DC电路；
所述直流母线电压输入的输入端连接电力设备的直流母线，输出端连接所述开环隔离DC/DC电路；
所述开环隔离DC/DC电路的输出端连接所述闭环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路的输出端输出电压Vo。
进一步地，还包括一外部直流低压输入电源，所述外部直流低压输入电源的输出端连接所述闭环隔离DC/DC电路的输出端。
进一步地，还包括外部单相交流输入电源、整流滤波电路，所述外部单相交流输入电源的输出端通过所述整流滤波电路连接所述开环隔离DC/DC电路的输出端。
进一步地，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为反激式闭环隔离DC/DC电路，所述整流滤波电路为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
进一步地，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为正激式闭环隔离DC/DC电路，所述整流滤波电路为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
进一步地，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为反激式闭环隔离DC/DC电路；或所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为正激式闭环隔离DC/DC电路。
本发明提供的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，采用两级隔离DC/DC电路，且前级为开环、后级为闭环，可以实现较大的电气间隙和爬电距离，使其能适用于高过电压等级高海拔的场所；同时使开关电源能够兼容从直流母线和外部输入电源上同时取电，确保开关电源在某些工况下能够持续供电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以从这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术第一种开关电源结构示意图；
图2为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第一实施例结构示意图；
图3为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第二实施例结构示意图；
图4为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第三实施例结构示意图；
图5为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第四实施例结构示意图；
图6为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第五实施例结构示意图；
图7为本发明一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源第六实施例结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
实施例1：
如图2所示，一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，包括依次连接的直流母线电压输入1、开环隔离DC/DC电路2以及闭环隔离DC/DC电路3。直流母线电压输入1的输入端连接电力设备的直流母线、输出端与开环隔离DC/DC电路2连接，并为其提供一直流电压Vbus；开环隔离DC/DC电路2与闭环隔离DC/DC电路3起到电源变换以及电气隔离的作用；开环隔离DC/DC电路2的输出端连接闭环隔离DC/DC电路3，闭环隔离DC/DC电路3的输出端输出电压Vo。
在本实施例中，开环隔离DC/DC电路2通过变压器实现隔离功能，闭环隔离DC/DC电路3一般是通过光耦来实现隔离功能。
本实施例采用两级隔离DC/DC电路，且前级为开环，后级为闭环。由于开环隔离DC/DC电路2包含变压器、后级闭环隔离DC/DC电路3包含光耦，可以实现较大的电气间隙和爬电距离，从而能满足高过电压等级高海拔场合应用的安规要求，且输出电压Vo不仅可以达到基本绝缘（提供一重防电击保护，必须满足基本绝缘的电气间隙和爬电距离要求），还能达到双重绝缘（提供防电击的双重保护，必须满足双重绝缘或加强绝缘的电气间隙和爬电距离要求）的要求，从而为输出端Vo耦合外部低压输入电源提供条件（由于外部低压输入电源的安规级别受用户决定，故最基本的是本系统的输出不能降低外部输入电源的安规级别）。同时由于本方案是多级方案，故每一级的输出从原理上都可以耦合外部输入电源，即为外部输入电源创造了条件，使开关电源兼容从直流母线电压输入1和外部输入电源同时取电，以确保在某些工况下能持续供电（如风电变流器要求低压穿越不脱网时或变频器要求电网掉电实现瞬停不停时等工况）。
实施例2：
如图3所示，实施例2与实施例1的区别在于：外部直流低压输入电源4提供的外部直流低压Vdc与闭环隔离DC/DC电路3的变换后的电压交汇，并输出稳定电压Vo。
本实施例提供了“外部直流低压输入电源4”，使开关电源兼容从“直流母线”和“外部直流低压输入4”同时取电，以确保在某些工况下能持续供电（如风电变流器要求低压穿越不脱网时或变频器要求电网掉电实现瞬停不停时等工况）。
实施例3：
如图4所示，实施例3与实施例1的区别在于：外部单相交流输入电源5提供外部单相交流电压Vac、并通过整流滤波电路6连接开环隔离DC/DC电路2的输出端。交汇形成的中间直流电压Va通过闭环隔离DC/DC电路3变换后，输出稳定电压Vo。
本实施例提供了“外部单相交流输入电源5”，使开关电源兼容从“直流母线”和“外部单相交流输入电源5”同时取电，以确保在某些工况下能持续供电（如风电变流器要求低压穿越不脱网时或变频器要求电网掉电实现瞬停不停时等工况）。
实施例4：
如图5所示，实施例4与实施例1的区别在于：外部单相交流输入电源5提供外部单相交流电压Vac、并通过整流滤波电路6连接开环隔离DC/DC电路2的输出端。交汇形成的中间直流电压Va通过闭环隔离DC/DC电路3变换后，再与外部直流低压输入电源4提供的外部直流低压Vdc交汇，并输出稳定电压Vo。
本实施例，兼容从“直流母线”、“外部单相交流电压输入电源5”及“外部直流低压输入电源4”同时取电，确保开关电源在部分输入掉电情况下（如风电变流器要求低压穿越不脱网时或变频器要求电网掉电实现瞬停不停时等工况）仍然可通过其他输入取电，而使功率系统持续供电。
实施例5：
如图6所示，实施例5与实施例4的区别在于：开环隔离DC/DC电路2为半桥式开环隔离DC/DC电路，闭环隔离DC/DC电路3为反激式闭环隔离DC/DC电路，整流滤波电路6为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
实施例6：
如图7所示，实施例6与实施例4的区别在于：开环隔离DC/DC电路2为半桥式开环隔离DC/DC电路，闭环隔离DC/DC电路3为正激式闭环隔离DC/DC电路，整流滤波电路6为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
以下为实施例4-实施例6的具体设计案例：
（污染等级I是指无污染，或有干燥的非导电性污染。污染等级II是指一般情况下只有非导电性污染，或者由于凝露偶尔造成的暂时性的导电。污染等级III是指存在导电性污染，或者由于凝露使干燥的非导电性污染变成导电性污染。）
（过电压I级：信号水平级，低压低能量，并带保护装置，如低压电子逻辑系统；过电压II级：负载水平级，低压高能量，如控制电动机用电器；过电压III级：配电及控制水平级，高压高能量，如配电干线）
在实际设计当中，考虑单板一般污染等级按II考核、开关电源的直流母线电压输入1在没有防雷保护的情况下属于过电压等级III、以及需要考虑直流母线电压输入1提供的直流母线电压Vbus较高等因素。
当直流母线电压输入1提供的直流母线电压Vbus的电压值为400~1100V，外部单相交流输入电源5提供的外部单相交流电压Vac的电压值为85~265V，外部直流低压输入电源4提供的外部直流低压Vdc的电压值为19.8~28.8V时，开环隔离DC/DC电路2的输入端与闭环隔离DC/DC电路3的输出端之间的电气间隙和爬电距离要求较大。开环隔离DC/DC电路2的输入端与闭环隔离DC/DC电路3的输出端之间电气间隙一般要求不小于18.1mm，爬电距离一般要求不小于18.1mm，同时闭环隔离DC/DC电路3的输入端与闭环隔离DC/DC电路3的输出端之间的电气间隙一般要求不小于7.6mm，爬电距离一般要求不小于7.6mm。
由于闭环隔离DC/DC电路3采用闭环控制，闭环控制具有反馈环节，反馈环节一般采用光耦，所以闭环隔离DC/DC电路3的输入端与闭环隔离DC/DC电路3的输出端之间的电气间隙以及爬电距离可实现不小于7.6mm的要求，这样开环隔离DC/DC电路2的输入端与输出端之间需要满足18.1-7.6=10.5mm的电气间隙和爬电距离，而开环隔离DC/DC电路2采用开环控制，开环隔离DC/DC电路2由于没有光耦而只有变压器，故可通过在开环隔离DC/DC电路2的变压器增加挡墙胶带或采用三层绝缘线等手段简单解决“开环隔离DC/DC电路2的输入端与输出端需要满足18.1-7.6=10.5mm的电气间隙和爬电距离”的问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，包括直流母线电压输入、开环隔离DC/DC电路以及闭环隔离DC/DC电路；所述开环隔离DC/DC电路包含变压器，不设置光耦；
所述直流母线电压输入的输入端连接电力设备的直流母线，输出端连接所述开环隔离DC/DC电路的输入端；
所述开环隔离DC/DC电路的输出端连接所述闭环隔离DC/DC电路的输入端，所述闭环隔离DC/DC电路的输出端输出电压Vo。
2.如权利要求1所述的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，还包括一外部直流低压输入电源，所述外部直流低压输入电源的输出端连接所述闭环隔离DC/DC电路的输出端。
3.如权利要求1或2任一所述的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，还包括外部单相交流输入电源、整流滤波电路，所述外部单相交流输入电源的输出端通过所述整流滤波电路连接所述开环隔离DC/DC电路的输出端。
4.如权利要求3所述的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为反激式闭环隔离DC/DC电路，所述整流滤波电路为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
5.如权利要求3所述的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为正激式闭环隔离DC/DC电路，所述整流滤波电路为二极管半桥或全桥整流滤波电路。
6.如权利要求1或2任一所述的一种适用于高过电压等级高海拔场所的开关电源，其特征在于，所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为反激式闭环隔离DC/DC电路；或所述开环隔离DC/DC电路为半桥式开环隔离DC/DC电路，所述闭环隔离DC/DC电路为正激式闭环隔离DC/DC电路。
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