CN104935166A - 一种dc-dc直流电源装置 - Google Patents

Abstract

一种DC-DC直流电源装置，包括三电平降压电路和隔离电路，所述三电平降压电路的输入端连接输入电源，输出端连接隔离电路的输入端；所述隔离电路的输出端与负载相连。采用本发明所提供的电路，可使用更低电压等级的开关管，进而最大程度的提高开关管的开关频率、减小变压器、电感等的体积和重量，降低成本，方便批量生产，保证低输出电压侧的系统安全运行。

Description

一种DC-DC直流电源装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种DC-DC直流电源装置。

背景技术

传统的DC-DC变换电路通常采用单一的硬开关斩波降压电路或单一的隔离逆变电路，需要使用高电压的半导体器件来适应高的输入电压，从而限制了半导体元件开关频率，导致电路中的电磁元件体积大，成本高，不具有产业化优势。

我公司于2013年2月13日申请了一篇专利，名称为一种交错工作的三电平降压电路（申请号：201210501663. 2），该电路的优点在于：采用软开关技术，可以使用较低电压等级的半导体元件，且突破了功率器件安全开关时间和二极管关断损耗对降压斩波电路开关频率的制约，使得装置可工作在更高的工作频率，从而降低了装置的体积重量；然而该电路一方面只能实现非隔离的电压变换，从而降低了装置的体积重量；然而该电路一方面只能实现非隔离的电压变换，在高输入电路和低输出电路要求电气绝缘的应用场合，该拓扑无法实现；另一方面，在输入电压远高于输出电压的应用场合，当该电路开关器件失效时，容易造成后级输出低压电路连环失效，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种DC-DC直流电源装置，其可以最大程度的提高开关管频率、降低损耗和成本、减小元器件的体积和重量，保证系统的安全运行。

本发明的技术方案是：一种DC-DC直流电源装置，包括三电平降压电路和隔离电路，所述三电平降压电路的输入端连接输入电源，输出端连接隔离电路的输入端；所述隔离电路的输出端与负载相连。

进一步，所述三电平降压电路由依次连接的滤波电容、由四个二极管整流桥构成的整流电路、可交替工作的换流电路以及LC滤波电路组成。

进一步，所述滤波电容包括串联连接的C1和C2，所述换流电路由四个开关管 Q1～Q4和四个换流电感L1~L4组成，依次串联的开关管Q1、换流电感L1与依次串联的开关管Q2、换流电感L2形成第一交替工作组，依次串联的开关管Q3、换流电感L3与依次串联的开关管Q4、换流电感L4形成第二交替工作组；所述滤波电容C1的正极、开关管 Q1、开关管 Q2的一端均与输入电源Ui的正极相接；所述滤波电容C2的负极、开关管 Q3、开关管 Q4的一端均与输入电源Ui的负极相接；所述二极管D1、D2的阳极和二极管D3、D4的阴极连接于滤波电容C1、C2之间；所述二极管D1的阴极连接于开关管 Q2和换流电感L2之间；所述二极管D2的阴极连接于开关管 Q1和换流电感L1之间；所述二极管D3的阳极连接于开关管 Q3和换流电感L3之间；所述二极管D4的阳极连接于开关管 Q4和换流电感L4之间。

进一步，所述LC滤波电路包括依次串联的主电感Lm和输出电容Co，主电感Lm的一端连接换流电感L1、L2，输出电容Co的负极连接隔离电路的输入端。

进一步，所述隔离电路为硬开关隔离电路、软开关隔离电路、全桥隔离电路、半桥隔离电路、隔离拓扑电路中的一种或组合。

进一步，所述隔离电路为LLC谐振隔离电路。

进一步，所述LLC谐振隔离电路由与所述三电平降压电路的输出端依次连接的滤波电容C1、由开关管Q1~Q4组成的逆变电路、LC谐振组件、变压器T1、由四个二极管 D1～D4整流桥构成的整流电路以及滤波电容C3组成。

进一步，所述滤波电容C1、开关管Q1、Q3的一端均与直流电源DC的正极连接，所述滤波电容C1的另一端、开关管Q2、Q4的一端均与直流电源DC的负极连接；所述LC谐振组件的一端连接于开关管Q1、Q2之间，另一端连接于变压器T1的原边首端，变压器T1的原边末端连接于开关管Q3、Q4之间；变压器T1的副边首端连接于二极管 D1、D2之间，副边末端连接于二极管 D3、D4之间；整流电路与滤波电容C3的输出端连接负载。

进一步，所述LC谐振组件由依次串联的谐振电容C2和谐振电感L1组成。

进一步，所述隔离电路的输出端通过母线连接直流供电负载。

本发明与现有技术相比具有如下特点：将三电平降压电路和隔离电路相结合，适用于高输入电压、低输出电压的应用领域。三电平降压电路可以使用常规、易采购的低电压等级的开关管，最大程度的减小损耗和体积；隔离电路可采用软开关技术，损耗非常小，效率极高，且隔离电路从三电平降压电路输出端获取较低的电压，因此可以使用更低电压等级的开关管，进而最大程度的提高开关管的开关频率、减小变压器、电感的体积和重量，降低成本，方便批量生产；另外，通过设计隔离电路使得在输入电压远高于输出电压的应用场合，当三电平降压电路开关器件失效时，通过电气隔离可避免造成后级输出低压电路连环失效，提高可靠性，以保证低输出电压侧的系统安全运行，满足安规要求。

附图说明

图1为本发明实施例1三电平降压电路的结构示意图；

图2为本发明实施例1LLC谐振隔离电路的结构示意图；

图3为本发明实施例1和电路的结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

三电平降压电路的输入端连接输入电源，输出端连接隔离电路的输入端；所述隔离电路的输出端与负载相连。

实施例1

如图3所示：一种DC-DC直流电源装置，包括如图1所示的三电平降压电路和如图2所示的LLC谐振隔离电路，三电平降压电路的输入端连接输入直流电源Ui，三电平降压电路的输出端U0与LLC谐振隔离电路的直流电源DC输入端连接；LLC谐振隔离电路的输出端连接直流供电负载，即：输入直流电源Ui经三电平降压电路降压为较低的直流电压输出，然后经LLC谐振隔离电路变换为稳定的直流电压输出。

如图1所示：本实施例中的三电平降压电路由依次连接的滤波电容、由四个二极管 D1～D4整流桥构成的整流电路、可交替工作的换流电路以及LC滤波电路组成。

具体连接方式为：滤波电容包括串联连接的C1和C2，换流电路由四个开关管 Q1～Q4和四个换流电感L1~L4组成，依次串联的开关管Q1、换流电感L1与依次串联的开关管Q2、换流电感L2形成第一交替工作组，依次串联的开关管Q3、换流电感L3与依次串联的开关管Q4、换流电感L4形成第二交替工作组；滤波电容C1的正极、开关管 Q1、开关管 Q2的一端均与输入电源Ui的正极相接；滤波电容C2的负极、开关管 Q3、开关管 Q4的一端均与输入电源Ui的负极相接；二极管D1、D2的阳极和二极管D3、D4的阴极连接于滤波电容C1、C2之间；二极管D1的阴极连接于开关管 Q2和换流电感L2之间；二极管D2的阴极连接于开关管 Q1和换流电感L1之间；二极管D3的阳极连接于开关管 Q3和换流电感L3之间；二极管D4的阳极连接于开关管 Q4和换流电感L4之间；LC滤波电路包括依次串联的主电感Lm和输出电容Co，主电感Lm的一端连接换流电感L1、L2，输出电容Co的负极连接隔离电路的直流电源DC输入端。

如图2所示：本实施例中的LLC谐振隔离电路包括与三电平降压电路的输出端依次连接的滤波电容C1、由开关管Q1~Q4组成的逆变电路、LC谐振组件、变压器T1、由四个二极管 D1～D4整流桥构成的整流电路以及滤波电容C3。

具体连接方式为：滤波电容C1、开关管Q1、Q3的一端均与直流电源DC的正极连接，滤波电容C1的另一端、开关管Q2、Q4的一端均与直流电源DC的负极连接；LC滤波组件的一端连接于开关管Q1、Q2之间，另一端连接于变压器T1的原边首端，变压器T1的原边末端连接于开关管Q3、Q4之间；变压器T1的副边首端连接于二极管 D1、D2之间，副边末端连接于二极管 D3、D4之间；整流电路与滤波电容C3的输出端通过母线连接直流供电负载；其中LC谐振组件由依次串联的谐振电容C2和谐振电感L1组成。

本实施例的设计思路为：一方面，为了使用低电压等级、低损耗、低成本的半导体元件，设计了三电平降压电路，将高输入电压降低为合适的低输出电压，最大程度的减小损耗和体积；另一方面，在低输出电压与高输入电压之间设计LLC谐振隔离电路进行电气隔离，再加上LLC谐振隔离电路采用软开关技术，损耗非常小，效率极高，并且通过设计LLC谐振隔离电路使得在输入电压远高于输出电压的应用场合，当三电平降压电路开关器件失效时，通过电气隔离可避免造成后级输出低压电路连环失效，提高可靠性，以保证低输出电压侧的系统安全运行，满足安规要求；另外，由于三电平降压电路的输出端已经输出较低的电压，后侧接入LLC谐振隔离电路后，LLC谐振隔离电路中的半导体元件就会使用更低电压等级的开关管，最大程度的提高开关管的开关频率，且减小了变压器、电感的体积和重量，系统成本大大降低，适于批量生产。因此，将三电平降压电路和LLC谐振隔离电路相结合，适用于高输入电压、低输出电压的应用领域，彻底解决了传统应用方式不能使用低电压等级半导体器件、开关频率低的问题。

本实施例以地铁车辆的新型辅助供电系统进行说明。在地铁车辆新型DC1500V辅助供电系统中，共有12台给客室空调供电DC1500V/DC600V的DC-DC直流电源装置和2台30kVA给司机室空调和车辆风机供电的辅助变流器。对于DC-DC直流电源装置，接触网的DC1500V电压从DC-DC直流电源装置的三电平降压电路的Ui端输入，经三电平降压电路和LLC谐振隔离电路降压和隔离后，LLC谐振隔离电路的输出端输出DC600V，给客室空调供电，12台DC-DC直流电源装置总重12*100kg=1200kg，2台30kVA给司机室空调和车辆风机供电的辅助变流器总重2*360kg=720kg。而传统的地铁车辆交流辅助供电系统，共有2台1800kg的辅助变流器。所以，采用DC-DC直流电源装置的系统，对于整车而言，变流器方面的重量可以减轻2*1800kg-1200kg-2*360kg=1680kg。由此可见，采用DC-DC直流电源装置的系统在成本和重量上都要有明显优势。

另外，采用本发明提供的DC-DC电源装置，其开关管的开关频率相较于传统的DC-DC电路提高40%。

以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围不限于此，例如任何LLC谐振隔离电路的简单变化都包含在本权利范围内，包括LC谐振器件在串联支路位置的变化，输出整流电路的变化等等。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种DC-DC直流电源装置，其特征在于：包括三电平降压电路和隔离电路，所述三电平降压电路的输入端连接输入电源，输出端连接隔离电路的输入端；所述隔离电路的输出端与负载相连。

2.根据权利要求1所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述三电平降压电路由依次连接的滤波电容、由四个二极管整流桥构成的整流电路、可交替工作的换流电路以及LC滤波电路组成。

3.根据权利要求2所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述滤波电容包括串联连接的C1和C2，所述换流电路由四个开关管 Q1～Q4和四个换流电感L1~L4组成，依次串联的开关管Q1、换流电感L1与依次串联的开关管Q2、换流电感L2形成第一交替工作组，依次串联的开关管Q3、换流电感L3与依次串联的开关管Q4、换流电感L4形成第二交替工作组；所述滤波电容C1的正极、开关管 Q1、开关管 Q2的一端均与输入电源Ui的正极相接；所述滤波电容C2的负极、开关管 Q3、开关管 Q4的一端均与输入电源Ui的负极相接；所述二极管D1、D2的阳极和二极管D3、D4的阴极连接于滤波电容C1、C2之间；所述二极管D1的阴极连接于开关管 Q2和换流电感L2之间；所述二极管D2的阴极连接于开关管 Q1和换流电感L1之间；所述二极管D3的阳极连接于开关管 Q3和换流电感L3之间；所述二极管D4的阳极连接于开关管 Q4和换流电感L4之间。

4.根据权利要求3所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述LC滤波电路包括依次串联的主电感Lm和输出电容Co，主电感Lm的一端连接换流电感L1、L2，输出电容Co的负极连接隔离电路的输入端。

5.根据权利要求1~4任一项所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述隔离电路为硬开关隔离电路、软开关隔离电路、全桥隔离电路、半桥隔离电路、隔离拓扑电路中的一种或组合。

6.根据权利要求1~4任一项所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述隔离电路为LLC谐振隔离电路。

7.根据权利要求6所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述LLC谐振隔离电路由与所述三电平降压电路的输出端连接的滤波电容C1、由开关管Q1~Q4组成的逆变电路、LC谐振组件、变压器T1、由四个二极管 D1～D4整流桥构成的整流电路以及滤波电容C3组成。

8.根据权利要求7所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述滤波电容C1、开关管Q1、Q3的一端均与直流电源DC的正极连接，所述滤波电容C1的另一端、开关管Q2、Q4的一端均与直流电源DC的负极连接；所述LC谐振组件的一端连接于开关管Q1、Q2之间，另一端连接于变压器T1的原边首端，变压器T1的原边末端连接于开关管Q3、Q4之间；变压器T1的副边首端连接于二极管 D1、D2之间，副边末端连接于二极管 D3、D4之间；整流电路与滤波电容C3的输出端连接负载。

9.根据权利要求7或8或9所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述LC谐振组件由依次串联的谐振电容C2和谐振电感L1组成。

10.根据权利要求1~4任一项所述的DC-DC直流电源装置，其特征在于：所述隔离电路的输出端通过母线连接直流供电负载。