CN104967336A - 一种多路隔离供电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多路隔离供电系统及其控制方法。交流供电电源通过交流变压器变压后的交流电压，再经过整流滤波电路进行整流滤波；整流滤波后的直流电压通过松耦合变压器后，分为两路以上的相互隔离的供电支路；连接于整流滤波电路和松耦合变压器之间的半导体开关单元控制所述松耦合变压器一次侧输入电流的导通和关断；双闭环控制单元通过对与二次侧输出绕组结构相同的辅助绕组进行电压采样，和对一次侧输入电流进行电流采样，控制半导体开关单元开关的导通和关断。该供电系统体积小，隔离电压高，输出稳定，易于扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种多路隔离供电系统及其控制方法，特别是涉及一种适用于高压IGBT开关用的多路隔离供电系统及其控制方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，功率半导体器件的体积越来越小，动作速度越来越快，成本也不断降低。功率IGBT作为半导体器件的典型代表，具有电压等级高，开关速度快，性能稳定等优点，得到了日益广泛的应用，如在脉冲功率技术中，需要高电压快速动作的IGBT开关作为放电回路；静止无功补偿中需要多个IGBT开关与补偿电容并联，通过IGBT开关的动作切换补偿电容的工作状态；而在电力设备绝缘状态检测领域如振荡波测试系统中，也常通过使用IGBT开关来在试品上产生阻尼谐振电压。然而，单个IGBT器件的最大耐压不超过6.5kV，远远低于电气应用中所需的几十甚至几千千伏的要求，因此近年来IGBT开关多基于模块化设计思想，即每个开关由数个IGBT开关模块串联而成，每个IGBT模块又包含很多个由IGBT单管及其驱动控制单元构成的IGBT工作单元。
对于几十千伏的IGBT开关，常常需要为几十个浮地的IGBT工作单元供电，尤其当隔离电压较高、工作单元数量较多时，传统的隔离供电方式为对每一个工作单元均附带一个隔离变压器供电，这种供电方式体积笨重，成本高，最终设计的供电电源往往比开关本身还要巨大，且不利于拓展。因此，研制一种体积小，隔离电压高，输出稳定的多路隔离供电系统具有重大的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种体积小，隔离电压高，输出稳定，易于扩展的多路隔离供电系统。
本发明采用的技术方案如下：一种多路隔离供电系统，其特征在于：交流供电电源通过交流变压器变压后的交流电压，再经过整流滤波电路进行整流滤波；整流滤波后的直流电压通过松耦合变压器后，分为两路以上的相互隔离的供电支路；连接于整流滤波电路和松耦合变压器之间的半导体开关单元控制所述松耦合变压器一次侧输入电流的导通和关断；双闭环控制单元通过对与二次侧输出绕组结构相同的辅助绕组进行电压采样，和对一次侧输入电流进行电流采样，控制半导体开关单元开关的导通和关断；所述松耦合变压器采用结构对称的无气隙磁芯。
作为优选，还包括功率因数控制单元，采用电流跟随整流滤波电压的算法，保证松耦合变压器一次侧电流时刻跟随整流滤波电压的波形。
作为优选，所述松耦合变压器的一次侧输入和二次侧输出线圈均只采用一匝线圈。
作为优选，所述交流变压器为降压变压器，其输入电源为市电输入。
作为优选，所述松耦合变压器采用圆环状无气隙磁性。
作为优选，所述半导体开关单元为MOSFET半导体开关单元。
作为优选，还包括用于接入负载连接于各个供电回路的半波整流电路。
作为优选，所述松耦合变压器为两个以上时，每个松耦合变压器竖直排列，一次侧绕组依次从所有磁性中间穿心而过，以松耦合的方式为多路输出提供能量。
所述多路隔离供电系统中，双闭环控制单元控制半导体开关单元开关的导通和关断的控制方法，具体方法为：对辅助绕组输出电压通过分压电阻进行采样后的电压，与基准电压进行比较，将闭环放大后的误差值与滤波整流波形采样值进行乘法运算，决定包络线的幅值；通过辅助绕组对一次侧输入电流进行采样，采样电流作为被控对象；通过辅助绕组侧的电流波形采样值探测二次侧输出电流衰减至零的时刻，在该时刻控制半导体开关单元导通；同时，通过滤波整流波形的采样值确定被控电流值的包络线，在被控电流值到达包络线位置时，控制半导体开关单元关断，完成一次能量传输过程。
作为优选，所述方法还包括：根据预设的输出电压调整分压电阻的电阻阻值，保证分压采样电阻上的电压为基准电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：电源供电可靠性好；松耦合变压器一次侧仅有一匝，二次侧绕组亦均仅需一匝，体积小，重量轻；通过松耦合方式在狭小范围内实现了输入输出隔离，既保证了隔离电压又缩减了整体尺寸，大大提高了多路隔离供电系统的集成度，也使之应用起来更简单，方便；能实现任意多路输出电压，能够为数个IGBT串联结构的开关模块同时供电，且易于拓展；通过功率因数校正电压转换器，极大的降低了一次侧最大峰值电流，防止因磁芯饱和而导致的其他故障，提高了整套系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，在本具体实施例中的多路隔离供电系统中，交流供电电源通过交流变压器11变压后的交流电压，再经过整流滤波电路12进行整流滤波；整流滤波后的直流电压通过松耦合变压器114后，分为两路以上的相互隔离的供电支路（15,16,17）；连接于整流滤波电路和松耦合变压器之间的半导体开关单元112控制所述松耦合变压器一次侧输入电流的导通和关断；双闭环控制单元13通过对与二次侧输出绕组结构相同的辅助绕组进行电压采样，和对一次侧输入电流进行电流采样，控制半导体开关单元开关的导通和关断；所述松耦合变压器采用结构对称的无气隙磁芯。
在本具体实施例中，所述交流变压器为降压变压器。采用市电220V作为接入电源，市电经过交流变压器降压后经整流滤波电路整流滤波，通过双闭环控制单元控制半导体开关单元的导通与关断，然后通过松耦合变压器将一次能量分支为多路，实现为多路IGBT串联开关模块进行驱动供电。
在本具体实施例中，一次侧输入采用单匝穿心绕组穿过铁氧体磁芯，然后通过电-磁-电的方式将能量传递至二次侧输出能量传输模块。
通过对一次侧电流、二次侧电压采样，在适当时刻开通半导体开关单元，防止铁氧体磁芯过饱和，提高电源供电可靠性。本多路输出隔离电源能够为20路IGBT开关单元提供50kV等级隔离供电，每路输出电压18V，输出电流0.2A。
在本具体实施例中，所述的松耦合变压器一次侧输入绕组仅有一匝，二次输出侧绕组亦均仅需一匝，一次侧绕组和二次侧绕组均采用高压硅橡胶绝缘线，线最大能够通20A电流，能够耐受50kV电压。松耦合变压器选用圆环状无气隙磁芯，其高度为20mm，内径为60mm，外径为101mm，相对磁导率为2000，饱和磁感应强度为0.54T，剩余磁感应强度为0.2T。二次侧绕组等间隔均匀分布于圆环磁芯上。当需要增加松耦合变压器来增加输出支路时，每个松耦合变压器竖直排列，一次侧绕组依次从所有磁芯中间穿心而过，以松耦合的方式为多路输出侧提供能量。排布均匀，分散性小，能在狭小的磁环中心空间实现最大50kV的隔离高压。图1中的第二松耦合变压器115所扩展的两个输出回路支路（18,19）.
在本具体实施例中，一次侧绕组采用穿心式，松耦合，为单匝线圈；二次侧绕组紧靠铁氧体磁芯外壁，采用50kV耐压硅橡胶绝缘线，通流能力为5A。
在本具体实施例中，所述半导体开关单元为MOSFET半导体开关单元；所述整流滤波电路为全桥整流电路。
所述双闭环控制电路为电流反馈环和电压反馈环双重反馈控制，与相关控制方法相结合控制半导体开关单元的正常动作，控制每路输出电压均稳定于同一值。
所述相关控制方法为：对辅助绕组输出电压通过分压电阻进行采样后的电压，与基准电压（2.5V基准电压）进行比较，将闭环放大后的误差值与滤波整流波形采样值进行乘法运算，决定包络线的幅值；通过辅助绕组对一次侧输入电流进行采样，采样电流作为被控对象；通过辅助绕组侧的电流波形采样值探测二次侧输出电流衰减至零的时刻，在该时刻控制半导体开关单元导通；同时，通过滤波整流波形的采样值确定被控电流值的包络线，在被控电流值到达包络线位置时，控制半导体开关单元关断，完成一次能量传输过程。
所述方法还包括：根据预设的输出电压调整分压电阻的电阻阻值，保证分压采样电阻上的电压为基准电压。
还包括用于接入负载连接于各个供电回路的半波整流电路，采用的二极管为BYV36C快恢复二极管，采用的电容为200uF，36V铝电解电容，假负载为10kΩ，功率0.25W贴片电阻。
还包括功率因数控制单元，采用电流跟随整流滤波电压的算法，保证松耦合变压器一次侧电流时刻跟随整流滤波电压的波形，提高能量传输效率的同时减小了电流峰值，防止松耦合变压器的磁芯饱和。
正常工作时，先通过环形降压变压器将220V市电降压至36V，然后通过整流滤波电路，再经一次侧绕组和MOSFET接地，通过在在适当的时刻开通、关断MOSFET，使一次侧绕组中产生变化的电流。由于一次侧绕组从中心穿过铁氧体磁芯，所以磁芯中会产生变化的磁场，从而在各二次侧绕组中产生电压，此电压再经半波整流电路接入负载，为多个需要相互隔离供电的负载提供能量。
Claims (10)
1.一种多路隔离供电系统，其特征在于：交流供电电源通过交流变压器变压后的交流电压，再经过整流滤波电路进行整流滤波；整流滤波后的直流电压通过松耦合变压器后，分为两路以上的相互隔离的供电支路；连接于整流滤波电路和松耦合变压器之间的半导体开关单元控制所述松耦合变压器一次侧输入电流的导通和关断；双闭环控制单元通过对与二次侧输出绕组结构相同的辅助绕组进行电压采样，和对一次侧输入电流进行电流采样，控制半导体开关单元开关的导通和关断；所述松耦合变压器采用结构对称的无气隙磁芯。
2.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：还包括功率因数控制单元，采用电流跟随整流滤波电压的算法，保证松耦合变压器一次侧电流时刻跟随整流滤波电压的波形。
3.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：所述松耦合变压器的一次侧输入和二次侧输出线圈均只采用一匝线圈。
4.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：所述交流变压器为降压变压器，其输入电源为市电输入。
5.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：所述松耦合变压器采用圆环状无气隙磁性。
6.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：所述半导体开关单元为MOSFET半导体开关单元。
7.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：还包括用于接入负载连接于各个供电回路的半波整流电路。
8.根据权利要求1所述的多路隔离供电系统，其特征在于：所述松耦合变压器为两个以上时，每个松耦合变压器竖直排列，一次侧绕组依次从所有磁性中间穿心而过，以松耦合的方式为多路输出提供能量。
9.基于权利要求1所述的多路隔离供电系统中，双闭环控制单元控制半导体开关单元开关的导通和关断的控制方法，具体方法为：对辅助绕组输出电压通过分压电阻进行采样后的电压，与基准电压进行比较，将闭环放大后的误差值与滤波整流波形采样值进行乘法运算，决定包络线的幅值；通过辅助绕组对一次侧输入电流进行采样，采样电流作为被控对象；通过辅助绕组侧的电流波形采样值探测二次侧输出电流衰减至零的时刻，在该时刻控制半导体开关单元导通；同时，通过滤波整流波形的采样值确定被控电流值的包络线，在被控电流值到达包络线位置时，控制半导体开关单元关断，完成一次能量传输过程。
10.根据权利要求9所述的控制方法，所述方法还包括：根据预设的输出电压调整分压电阻的电阻阻值，保证分压采样电阻上的电压为基准电压。
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