CN104868715A - 移动式大功率高压直流电源 - Google Patents

Abstract

一种移动式大功率高压直流电源，其N组超级电容器组级联电路依次串联，形成超级电容器组级联高压电源。超级电容器组级联高压电源输出的正极端串联限流电感(5)的一端，限流电感(5)的另一端连接高压电容器(6)的高压极。超级电容器组级联高压电源输出的负极端连接高压电容器的低压极。控制系统(1)分别连接N个控制开关(3)的控制端，控制系统(1)的电压测量端连接高压电容器(6)的两端，电流测量线圈(7)的线圈套在高压电容器低压端至超级电容器级联电路低压端的连线上，电流测量线圈(7)的测量引线连接到控制系统(1)的电流测量端。N个控制开关(4)同时闭合时形成N倍电池组电压的高压电源，给高压电容器(6)充电。

Description

移动式大功率高压直流电源

技术领域

本发明涉及一种移动式大功率高压直流电源，特别涉及大功率高压电器领域。

背景技术

大功率高压直流电源一般采用交流整流滤波后获得，在大功率应用场合，电源体积随着功率增加而增大，在有移动需求或野外应用场合，大功率高压直流电源体积和重要均有一定限制，导致采用电网供电或发电机供电的高压直流电源的应用受到限制。在地质勘探领域，高压直流电源用于给脉冲电容器充电，但野外和移动应用一般需配备柴油发电机，但在山区，大功率的柴油发电机难以移动，使用受到限制。

专利201410348131.9公开了一种高压电源，采用的是开关变换技术，采用交流供电电源经过整流逆变，再经过高压整流后给电容器充电的技术路线。若采用该方式，在山区采用电火花地质勘探应用时，则需要柴油发电机提供交流电源，同时需要改专利研制的高压充电电源；专利200610165501.0公开了一种采用超级电容器供电的充电电源，其原理是超级电容器作为初级能源，与高频充电电源相配合对高压电容器进行充电。此专利仅利用超级电容器作为初始能源，在给电容器充电时，仍然需要相同功率的充电电源。上述专利和现有脉冲电容器充电技术有共同特点，都是采用了高压变压器技术，通过变压器将低压变为高压后给脉冲电容器充电，因此存在相同的问题，即随着充电功率增加，不仅初级能源系统体积增加，将低压初级能源转变为高压的充电系统体积随之增加。

发明内容

本发明的目的是在实现高压电容器，即目标充电电压在1KV及以上的电容器，快速充电的前提下，提出一种移动式大功率高压直流电源，它利用超级电容器级联方式叠加出高压直流源，省去高压变压器，减小现有高压电容器充电系统体积、降低成本费用。

本发明包括7个组成部分：控制系统、N个超级电容器组，N个控制开关、N个二极管、限流电感、高压电容器和电流测量线圈。1个超级电容器组按照电流流向串联1个控制开关后，在其串联电路两端按照相同的电流方向并联一个二极管，形成超级电容器组级联电路的一级。N个超级电容器组级联电路按照电流方向依次串联，形成N级超级电容器组级联高压电源。N级超级电容器组级联高压电源输出的正极端串联限流电感，限流电感的另一端连接高压电容器负载的高压极，N级超级电容器组级联高压电源输出的负极端连接高压电容器负载的低压极。

N为大于等于1的正整数，N个超级电容器组电压可以相同，也可以不相同，N个超级电容器工作电压之和最大等于高压电容器最高充电电压，最小等于高压电容器最高充电电压的一半。

本发明的工作原理和工作过程如下：本电源未工作之前，控制系统输出信号使控制开关处于断开状态，且明确本次充电任务的目标充电电压，N个开关控制装置根据目标充电电压确定参与充电的超级电容器组级联电路，确定的原则是本次参与充电的超级电容器组级联电路输出电压之和不小于目标充电电压的一半。本电源充电时，控制系统输出相应超级电容器组级联电路控制开关开通信号，超级电容器组级联电路输出电流经限流电感后给高压电容器负载充电。高压电容器电压达到目标电压后，控制系统控制导通的控制开关断开，充电系统停止充电。此时，脉冲电容器可根据需要通过开关对脉冲电源的负载放电。

本发明的积极效果是：

1.该电源采用超级电容器组级联的构成直流源，实现了超大容量、超长使用寿命、超快直流源蓄能、适合低温条件的特点。

2.该电源采用超级电容器组和级联拓扑结构形成高压充电电源，降低了充电系统成本和体积。

3.该电源采用超级电容器组和级联拓扑结构形成高压充电电源，利用超级电容器组输出电流大的特点，形成高压、大电流的充电装置，实现了脉冲电容器的快速充电。

4.该电源中超级电容器组采用级联方式，避免了控制开关导通时间不一致而导致的对控制开关的损害，也避免了超级电容器组直接串联使用时，因某组超级电容器发生故障而导致整个系统不能使用的问题。

5.该电源中超级电容器组采用级联方式，可以选择性的控制投入使用的超级电容器组，实现不同电压等级的充电任务。

6.该电源在1kV以上的高压电容器充电时更具优势。

7.该电源用于野外勘探时，充电速度很快，可以有减小野外工作时间。

本发明可用于脉冲功率领域高压电容器的快速充电。本发明摒弃了传统的充电电源中采用的升压变压器技术方法，直接采用初级能源通过级联拓扑串连起来形成大电流的高压电源对电容器进行充电，特别是采用超级电容器级联作为直流源，提高了充电速度，消除了充电系统的中间环节，缩小了充电系统的体积，降低了系统成本。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图，图中：1控制系统，2超级电容器组，3控制开关，4二极管，5限流电感，6高压电容器，7电流测量线圈。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明，以最高充电电压10kV的高压电容器充电装置为例。

如图1所示：本发明移动式大功率高压直流电源中N级超级电容器组级联电路共分20级，包括20个输出电压500V的超级电容器组、20个400A/1200V的绝缘栅双极型功率管、20个400A/1200V二极管。每个功率型超级电容器组负极分别与一个IGBT的发射极连接，正极和一个二极管阴极连接，IGBT的集电极和二极管的阳极连接，形成超级电容器组级联电路的一级，其它超级电容器组、IGBT、二极管分别按相同连接关系连接。20组连接好的电路按照电流方向依次串联后，其高压输出端接100mH/15kV限流电感，限流电感另一端接200uF/10kV脉冲电容器，200uF/10kV脉冲电容器低压端接超级电容器组级联电路低压端并接地。开关控制装置采用TI公司的TMS320LF2407A作为核心芯片，该芯片的1～20路I/O口定义为20路IGBT的控制信号，分别接20个IGBT的驱动端。控制系统还包括一个1V︰1000V高压分压器、2个电压比较电器，同时外接一个1个1V︰10A的电流测量线圈。1V︰1000V高压分压器接在高压电容器的两端，高压分压器输出低压信号端接第一个电压比较器输入端，第一个电压比较器输出端接TMS320LF2407A芯片的第21个I/O口；1V︰10A电流测量线圈套在高压电容器低压端到超级电容器级联电路低压端的连线上，其输出信号端接控制系统内部的第二个电压比较器输入端，电压比较器输出端接TMS320LF2407A芯片的第22个I/O口。

以8kV充电过程为例，首先将电压比较电路比较电压设置为8V，电流比较电路比较电压设置为8V，然后开关控制装置中TMS320LF2407A芯片的第1～20个I/O口输出20路高电平信号，控制20个IGBT开通，在限流电感限制下，级联超级电容器组输出电流逐渐增加，当级联超级电容器组输出电流达到200A时，负载电容电压仍没有达到目标电压8kV，控制系统电流比较电路输出高电平信号至TMS320LF2407A芯片的第22个I/O口，TMS320LF2407A芯片内部程序读取到该I/O口为高电平时，则将第1～20个I/O口电平信号转变为低电平，即输出IGBT断开信号，级联超级电容器组停止输出，等待5ms后，TMS320LF2407A芯片的第1～20个I/O口输出20路高电平信号，控制20个IGBT再次开通，重复上一次的控制过程。高压电容器负载上电压达到目标电压8kV时，控制系统第一个电压比较电路输出高电平信号至TMS320LF2407A芯片的第21个I/O口，TMS320LF2407A芯片内部程序读取到该I/O口为高电平时，则将第1～20个I/O口电平信号转变为低电平，即输出IGBT断开信号，超级电容器组级联电路停止输出，完成本次充电任务。

若目标充电电压较低，在满足充电时间要求下，可适当降低投入超级电容器组的个数，在全部投入的情况下，充电速度最高。例如充电电压为1kV，则超级电容器组最多是20级全部投入使用，最少是500V的超级电容器组，即本具体实施中一级超级电容器组投入使用，20级全部投入使用时，充电电流最大，充电速度最快。

本发明主要用于高压电容器快速充电领域，基于目前超级电容器组、IGBT、二极管器件的性能，完全能够满足上述需求。

Claims (4)

1.移动式大功率高压直流电源，其特征在于，所述的移动式大功率高压直流电源包括N个控制系统(1)、超级电容器组(2)、N个控制开关(3)、N个二极管(4)、限流电感(5)、高压电容器(6)和电流测量线圈(7)；N为大于等于1的正整数；每个超级电容器组(2)按照电流流向串联一个控制开关(3)后，在其串联电路两端并联一个二极管(4)，形成一级超级电容器组级联电路；超级电容器组、控制开关和二极管的数量相同；N个超级电容器组、N个控制开关和N个二极管组成N级超级电容器组级联电路；N级超级电容器组级联电路按照电流方向依次串联，形成超级电容器组级联高压电源；超级电容器组级联高压电源输出的正极端串联限流电感(5)的一端，限流电感(5)的另一端连接高压电容器(6)的高压极；超级电容器组级联高压电源输出的负极端连接高压电容器(6)的低压极；N个超级电容器组输出电流的能力相同；控制系统(1)控制高压电源充电，控制系统(1)输出的N路驱动信号端分别连接N个控制开关(3)的控制端，控制系统(1)的高压测量端连接高压电容器(6)两端，电流测量线圈(7)的线圈套在高压电容器低压端至超级电容器级联电路低压端的连线上，电流测量线圈(7)的测量引线连接到控制系统(1)的电流测量端。

2.按照权利要求1所述的移动式大功率高压直流电源，其特征在于，所述的高压直流电源的充电直流源为N个超级电容器组。

3.按照权利要求1所述的移动式大功率高压直流电源，其特征在于，所述的超级电容器组级联高压电源的级数N的最小取值由各级超级电容器组电压之和与高压电容器目标充电电压决定，超级电容器组级联高压电源的最大取值则受控制系统输出多路信号的能力和系统复杂度限制。

4.按照权利要求1所述的移动式大功率高压直流电源，其特征在于，所述的控制系统(1)控制控制开关(3)的断开与闭合，N个控制开关同时闭合时，则形成N倍电池组电压的高压电源，N为大于等于1的正整数；该高压电源给高压电容器(6)充电，充电回路中通过串联限流电感(5)对充电电流进行限制。