CN104993728A - 一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，包括：MCU控制电路，与MCU控制电路连接的EMI输入滤波电路、三相PFC电路、DC/DC变换电路、以及输出滤波电路和防护输出电路，所述EMI输入滤波电路的输出端连接三相PFC电路，所述三相PFC电路的输出端连接所述DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路的输出端连接所述输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端连接所述防护输出电路；所述MCU控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器输入端连接的三相PFC采样反馈电路和输出滤波采样反馈电路、与MCU控制器输出端连接的DC/DC驱动电路、三相PFC驱动电路和模块输出并机电路，所述MCU控制器还设置保护电路。本发明提高了模块的功率因数以及工作效率和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及到的领域为变电站电源系统，研究满足直流电源中AC/DC变换的高频开关电源模块，具体涉及到一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块。
背景技术
电源系统是变电站的重要组成部分，是保障电网安全稳定运行的基础，电源系统逐步向一体化、智能化、数字化的方向发展。
智能高频开关电源模块是电力操作电源中的核心设备，其主要作用是将交（直）流供电转换成为需要的直流电，用于直流供电设备和蓄电池充电。
本发明研制满足各类变电站、电厂及其它直流供电场合应用的高频开关电源模块，具备高效、高功率密度、高可靠性、智能化控制等特点。
本发明研制的高频开关电源模块采用智能风冷的散热方式，功率密度高，占用空间少，采用满足变电站直流屏对充电模块组屏要求的标准结构设计，接线按照一体化插座的形式实现热插拔，方便安装和维护。
发明内容
本发明根据上述存在的技术问题，提供一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块。
本发明采用的技术方案为：一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，包括：MCU控制电路，与MCU控制电路连接的EMI输入滤波电路、三相PFC电路、DC/DC变换电路、以及输出滤波电路和防护输出电路，所述EMI输入滤波电路的输出端连接三相PFC电路，所述三相PFC电路的输出端连接所述DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路的输出端连接所述输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端连接所述防护输出电路；
所述MCU控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器输入端连接的三相PFC采样反馈电路和输出滤波采样反馈电路、与MCU控制器输出端连接的DC/DC驱动电路、三相PFC驱动电路和模块输出并机电路，所述MCU控制电路还设置保护电路。
进一步地，所述EMI输入滤波电路包括设置在三相输入端的压敏电阻，采用两级共模，对地回路采用两级π型滤波，所述两级共模电路之间设置对地电容；所述两级共模电路之间设置差模安规电容。
进一步地，所述三相PFC采样反馈电路包括三相PFC输出电压采样电路和三相PFC输出电流采样电路，所述三相PFC输出电压采样电路采用电阻分压方式对输出电压进行采样，通过隔离运放器对电压采样值进行传送；所述三相PFC输出电流采样电路采用电阻采样方式，通过隔离运放器及IGBT驱动电路进行5V供电。
进一步地，所述三相PFC驱动电路为IGBT驱动电路，其中IGBT驱动电路的+5V电压通过TLP700光耦驱动器进行回读，+15V作为回读电压。
进一步地，所述DC/DC变换电路采用脉宽调制型全桥电路、直流变压器、整流滤波电路和输出保护电路，所述脉宽调制型全桥电路的输出端连接直流变压器，所述直流变压器的输出端连接整流滤波电路，所述整流滤波电路的输出端连接输出保护电路，所述输出保护电路包括防反二极管和保险管。
进一步地，所述输出保护电路包括继电器RL3和保险管。
进一步地，所述DC/DC驱动回路采用ADUM2210隔离器隔离后再采用UCC27524D驱动器直接驱动下桥臂IGBT管。
进一步地，所述模块输出并机电路包括第一运算放大器和第二运算放大器组成平均电流电路，输出端通过继电器和光耦隔离器连接。
本发明的有益效果为：采用前级三相PFC电路和后级DC/DC变换电路，前后级均采用MCU控制实现，利用MCU控制PWM输出实现前级功率IGBT管的通断，频率高达40kHz，有效提高了模块的功率因数；利用DSP控制PWM输出实现后级功率IGBT管的通断，频率高达100kHz；通信、数据采集及控制由MCU一并处理，其特征在于：MCU控制器实现模块对外通信，AD数据采集以及保护逻辑控制等功能；多个模块并机工作时，根据负载大小动态均流，有利于模块提高工作效率和使用寿命。
附图说明
图1是本发明提出的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块结构图；
图2是本发明提出的所述EMI输入滤波电路结构图；
图3是本发明提出的所述三相PFC电压采样电路结构图；
图4是本发明提出的所述三相PFC电流采样电路结构图；
图5是本发明提出的所述三相PFC驱动电路结构图；
图6是本发明提出的所述DC/DC变换电路结构图；
图7是本发明提出的所述DC/DC驱动电路结构图；
图8是本发明提出的所述输出滤波采样反馈电路结构图；
图9是本发明提出的所述模块输出并机电路结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的说明。
参见图1，是本发明提出的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块结构图。
参见图1，一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，包括：MCU控制电路，与MCU控制电路连接的EMI输入滤波电路、三相PFC电路、DC/DC变换电路、以及输出滤波电路和防护输出电路，所述EMI输入滤波电路的输出端连接三相PFC电路，所述三相PFC电路的输出端连接所述DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路的输出端连接所述输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端连接所述防护输出电路；
所述MCU控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器输入端连接的三相PFC采样反馈电路和输出滤波采样反馈电路、与MCU控制器输出端连接的DC/DC驱动电路、三相PFC驱动电路和模块输出并机电路，所述MCU控制电路还设置保护电路。
本发明实施例中，通过EMI输入电路将三相交流电（380/220V）转换成220V等级的直流电，采用前级三相PFC电路实现功率因数校正，后级DC/DC变换电路实现输出控制。
其中保护电路包括过流、过压、过温和短路保护，通过采样电路对三相PFC电路和输出滤波电路进行采样，然后通过保护电路对模块进行保护，防止过流、过压、过温或短路对模块造成损坏。
参见图2，是本发明提出的所述EMI输入滤波电路结构图；
如图2所示，所述EMI输入滤波电路包括设置在三相输入端的压敏电阻，采用两级共模，对地回路采用两级π型滤波，所述两级共模电路之间设置对地电容；所述两级共模电路之间设置差模安规电容。
本发明实施例中，考虑到EMC中的传导发射，采用两级共模，对地回路采用两级π型滤波，提高EMC中的传导发射，综合考虑模块尺寸大小以及共模电感大对传导发射的抑制效果越，在两级共模中间加入对地电容。考虑差模浪涌冲击，输入压敏电阻采用680VAC，同时并联上104的安规电容，两级共模电感中加上差模104安规电容。在输入过压的情况下，压敏电阻导通，保证了后续电路的安全。
参见图3和图4，其中图3是本发明提出的所述三相PFC电压采样电路结构图；图4是本发明提出的所述三相PFC电流采样电路结构图。
如图3和图4所示，所述三相PFC采样反馈电路包括三相PFC输出电压采样电路和三相PFC输出电流采样电路，所述三相PFC输出电压采样电路采用电阻分压方式对输出电压进行采样，通过隔离运放器对电压采样值进行传送；所述三相PFC输出电流采样电路采用电阻采样方式，通过隔离运放器及IGBT驱动电路进行5V供电。
本发明实施例中，三相PFC采样反馈电路的电压采样采用电阻分压，电路实现简单，功能简洁明了，保证了采样的准确性；利用隔离运放传送数据，UN为虚拟出的中点，采用三片隔离运放，一个隔离的5V供电；电流回路采用电阻采样。三路电流采样采用隔离运放，每路的5V供电采用上桥臂对应3只IGBT驱动供电，＋15V进行降压到对应的+5V；同理，母线电压的采样隔离运放供电采用下桥臂的驱动电压降压获得。
参见图5，是本发明提出的所述三相PFC驱动电路结构图；
如图5所示，所述三相PFC驱动电路为IGBT驱动电路，其中IGBT驱动电路的+5V电压通过TLP700光耦驱动器进行回读，+15V作为回读电压。
本发明实施例中，IGBT驱动电路采用TLP700光耦驱动。，前后级的6只IGBT均采用同样的驱动电路，为了确保运行安全，每路的＋5V驱动一个光耦进行回读，＋15V作为回读电压。
参见图6，是本发明提出的所述DC/DC变换电路结构图。
如图6所示，所述DC/DC变换电路采用脉宽调制型全桥电路、直流变压器、整流滤波电路和输出保护电路，所述脉宽调制型全桥电路的输出端连接直流变压器，所述直流变压器的输出端连接整流滤波电路，所述整流滤波电路的输出端连接输出保护电路，所述输出保护电路包括防反二极管和保险管。
进一步地，所述输出保护电路包括继电器RL3和保险管。
本发明实施例中，DC/DC变换采用脉宽调制型全桥输出与直流变压器的原边连接，直流变压器的次边通过整流桥与整流滤波电路与输出保护电路连接，输出保护电路采用滤波电容、防反二极管和保险管对输出电路进行保护。
上述输出保护电路中的防反二极管可以采用继电器RL3替代，其作用是：一是可以提高效率，二是可以防止现场反接。
图7是本发明提出的所述DC/DC驱动电路结构图。
进一步地，所述DC/DC驱动回路采用ADUM2210隔离器隔离后再采用UCC27524D驱动器直接驱动下桥臂IGBT管。
本发明实施例中，由于采用全桥形式，并且采用脉宽调制策略时，IGBT管的下管驱动会超过50％的占空比，上管小于50％，因此IGBT管的上管驱动可以采用之前成熟的驱动电路，下桥臂IGBT管驱动先采用ADUM2210隔离器进行数字隔离，隔离后再采用UCC27524D驱动器直接驱动下桥臂IGBT管，通过串联电容和TVS管的并联电路产生小的负偏电压。
参见图8，是本发明提出的所述输出滤波采样反馈电路结构图。
如图8所示，所述输出滤波采样反馈电路包括由分压电阻组成的电压采集电路、电流采集电路、输出端防反接电路和隔离电路。
本发明实施例中，输出电压、电流采样不再隔离，参考地即为输出直流负，电压采用分压电阻分压后采样，电流采用电阻采样，输出采用继电器进行防电池反接，采用光耦传递信号，有效防止噪声相互干扰。
参见图9是本发明提出的所述模块输出并机电路结构图。
如图9所示，所述模块输出并机电路包括第一运算放大器和第二运算放大器组成平均电流电路，输出端通过继电器和光耦隔离器连接。
本发明实施例中，高频开关电源模块并机均流采用平均电流均流法，采用两片运放实现。均流输出通过继电器或光隔输出，当本模块故障或退出后，需要切断对外的均流母线信号。
本发明采用前级三相PFC电路和后级DC/DC变换电路，前后级均采用MCU控制实现，利用MCU控制PWM输出实现前级功率IGBT管的通断，频率高达40kHz，有效提高了模块的功率因数；利用DSP控制PWM输出实现后级功率IGBT管的通断，频率高达100kHz；通信、数据采集及控制由MCU一并处理，其特征在于：MCU控制器实现模块对外通信，AD数据采集以及保护逻辑控制等功能；多个模块并机工作时，根据负载大小动态均流，有利于模块提高工作效率和使用寿命。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (8)
1.一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，包括：MCU控制电路，与MCU控制电路连接的EMI输入滤波电路、三相PFC电路、DC/DC变换电路、以及输出滤波电路和防护输出电路，所述EMI输入滤波电路的输出端连接三相PFC电路，所述三相PFC电路的输出端连接所述DC/DC变换电路，所述DC/DC变换电路的输出端连接所述输出滤波电路，所述输出滤波电路的输出端连接所述防护输出电路；
所述MCU控制电路包括MCU控制器、与MCU控制器输入端连接的三相PFC采样反馈电路和输出滤波采样反馈电路、与MCU控制器输出端连接的DC/DC驱动电路、三相PFC驱动电路和模块输出并机电路，所述MCU控制电路还设置保护电路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述EMI输入滤波电路包括设置在三相输入端的压敏电阻，采用两级共模，对地回路采用两级π型滤波，所述两级共模电路之间设置对地电容；所述两级共模电路之间设置差模安规电容。
3.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述三相PFC采样反馈电路包括三相PFC输出电压采样电路和三相PFC输出电流采样电路，所述三相PFC输出电压采样电路采用电阻分压方式对输出电压进行采样，通过隔离运放器对电压采样值进行传送；所述三相PFC输出电流采样电路采用电阻采样方式，通过隔离运放器及IGBT驱动电路进行5V供电。
4.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述三相PFC驱动电路为IGBT驱动电路，其中IGBT驱动电路的+5V电压通过TLP700光耦驱动器进行回读，+15V作为回读电压。
5.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述DC/DC变换电路采用脉宽调制型全桥电路、直流变压器、整流滤波电路和输出保护电路，所述脉宽调制型全桥电路的输出端连接直流变压器，所述直流变压器的输出端连接整流滤波电路，所述整流滤波电路的输出端连接输出保护电路，所述输出保护电路包括防反二极管和保险管。
6.根据权利要求5所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述输出保护电路包括继电器RL3和保险管。
7.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述DC/DC驱动回路采用ADUM2210隔离器隔离后再采用UCC27524D驱动器直接驱动下桥臂IGBT管。
8.根据权利要求1所述的一种应用于变电站电源系统中的智能高频开关电源模块，其特征在于，所述模块输出并机电路包括第一运算放大器和第二运算放大器组成平均电流电路，输出端通过继电器和光耦隔离器连接。
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