CN106849724A - 辅助逆变电源 - Google Patents

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张春磊
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Abstract

本发明提出一种辅助逆变电源，包括顺次相连的输入开关单元、DC/DC单元和辅助逆变单元，其中，输入开关单元包括作为预充电回路且串联的接触器K1和电阻R1，以及与预充电回路并联的接触器K2；DC/DC单元包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路；辅助逆变单元包括逆变回路和三相滤波回路。该辅助逆变电源采用中频变压器替代传统工频变压器的辅助逆变电源，降低了输入电源的电压等级，减少了高压IGBT的使用数量，降低了设计成本和整机重量，大大提高了能量的转换效率，具有较高的节能效益。

Description

辅助逆变电源
技术领域
本发明属于车辆牵引领域，尤其涉及一种车辆牵引中的辅助逆变电源。
背景技术
辅助逆变电源作为车辆牵引系统关键部件在整车中起到至关重要的作用。在车辆的正常运营过程中，它负责为车辆客室空调机组及通风装置、空压机、电加热器、交流照明等交流负载提供三相与单相交流电源。辅助电源系统工作的安全性、可靠性对车辆正常运营具有重要影响。
辅助逆变电源的电气拓扑结构因车辆供电模式的不同差异很大。目前，我国普通铁路客车供电电源多采用简单的相控整流将AC 860V的交流整流成DC600V直流再逆变为客车供电；地铁车辆则将牵引网的DC 1500V或者DC 750V直接逆变给车辆供电；动车系统中多将牵引变流器中间直流母线电压通过逆变电源给车辆供电。但这三种类型的辅助逆变电源系统的共同的特点是均采用工频变压器降压或者升压，电气拓扑因变压器的位置不同而略有差异，如图1所示，其变压器设计在三相滤波回路后，而图2的变压器设计在三相滤波回路前，两者在原理上没有本质差异。
但是图1和图2中无论变压器位置如何，上述逆变拓扑都存在以下问题：
当辅助供电输入电压较高时，如地铁DC 1500V，逆变PU中的IGBT(绝缘栅双极型功率管)必须使用六个3300V或更高电压等级IGBT，而高压IGBT价格昂贵、驱动难度大，这无疑增大了系统成本；其次，高压IGBT开关损耗较大、发热严重，这使得在设计PU模块散热器上需要更大尺寸的散热片，增大了设备的安装尺寸和成本；另外，高压IGBT开关频率较低，逆变输出的三相PWM波中谐波频率偏低，必须通过增大三相滤波回路中电感值或者电容值才能有效的将谐波滤除。
考虑安全问题，通常要求输入和输出回路通过变压器隔离，但常规的工频变压器无论是在变电效率上还是体积重量上都无法进一步突破，这限制了整个辅助逆变器的设计效率，增大了设备重量和体积。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用中频变压器替代传统工频变压器的辅助逆变电源，该辅助逆变电源减少了高压IGBT的使用数量减少了设备重量和体积，降低了设计成本。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种辅助逆变电源，包括顺次相连的输入开关单元、DC/DC单元和辅助逆变单元，其中，输入开关单元包括作为预充电回路且串联的接触器K1和电阻R1，以及与预充电回路并联的接触器K2；DC/DC单元包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路；辅助逆变单元包括逆变回路和三相滤波回路。
作为本发明的进一步优化，DC/DC单元的输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电容C1，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1的两端；电容C1包括串联的两个，变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电容C1的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。
作为本发明的进一步优化，DC/DC单元进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括串联设置的功率管VT3和电容C2，其中功率管VT3和电容C2的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端。
作为本发明的进一步优化，谐振软开关电路并联有电抗器L2，并联有电容C2，其中，电容C2与电抗器L2串联。
作为本发明的进一步优化，辅助逆变单元的逆变回路为三相半桥回路，包括与谐振软开关电路共用的电容C2，以及与电容C2并联设置的六个功率管，其中六个功率管分别为功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、功率管VT4、功率管VT5和功率管VT6，功率管VT1与功率管VT4串联，功率管VT2和功率管VT5串联，功率管VT3和功率管VT6串联，两两串联后的功率管并联。
作为本发明的进一步优化，辅助逆变单元的三相滤波回路为LCL型，包括电抗器L3、电容C4和电抗器L4，其中，电抗器L3包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于三组并联的功率管之间；电抗器L4包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于电抗器L3的三个电抗器输出端；电容C4包括并联设置的三个电容，该三个电容分别连接于电抗器L3和电抗器L4之间，电容C4的输出端连接零线。
作为本发明的进一步优化，变压器为大功率中频变压器。
作为本发明的进一步优化，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均为3300V高压大功率绝缘栅双极型功率管。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的辅助逆变电源，其通过采用半桥型隔离型DC/DC模块和中频变压器技术，减少了高压IGBT的使用数量，降低了设计成本；
2、本发明的辅助逆变电源，通过在逆变PU中使用低电压等级IGBT模块和软开关技术，降低了IGBT在开关过程中的发热功率，减小了散热片的尺寸，实现了整机的小型轻量化设计。
3、本发明的辅助逆变电源，通过实际的测量对比，相比与传统工频隔离的方案，整机效率至少提高三个百分点，大大提高了能量的利用率，具有较高的节能效益。
附图说明
图1为现有技术辅助逆变电源第一种实施例的电路拓扑图；
图2为现有技术辅助逆变电源第二种实施例的电路拓扑图；
图3为本发明辅助逆变电源的电路拓扑图。
其中，1、输入开关单元；2、DC/DC单元；3、辅助逆变单元。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
如图3所示，是本发明辅助电路逆变电源的电路拓扑图。参见图3，本发明的辅助逆变电源，包括顺次相连的输入开关单元1、DC/DC单元2和辅助逆变单元3，其中，输入开关单元1包括作为预充电回路且串联的接触器K1和电阻R1，以及与预充电回路并联的接触器K2；DC/DC单元2包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路；辅助逆变单元3包括逆变回路和三相滤波回路。
上述输入开关单元1在正常工况下连接电源，故障工况下将辅助逆变电源与电源隔离。
上述中，DC/DC单元2的输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电容C1，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1的两端；电容C1包括串联的两个，变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电容C1的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。DC/DC单元进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括并联设置的功率管VT3和电容C2，其中功率管VT3和电容C2的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端；谐振软开关电路可以实现半桥拓扑中功率管VT1和功率管VT2的零电流关断，降低IGBT关断损耗，消除IGBT关断电压尖峰，减小散热系统的尺寸和重量。另外，DC/DC单元的输出采用LC滤波回路，电容C2与电抗器L2串联，该电路结构能够将二极管整流后的方波电压变成直流输出。
DC/DC单元2的变压器T1采用新型大功率中频变压器，通过提高变压器的工作频率，可以解决传统工频变压器笨重、效率较低的问题，实现整机的小型轻量化。DC/DC单元通过变压器T1实现了输入和输出的隔离，确保了电气的安全隔离。
DC/DC单元2采用半桥结构具有两大优点：一，相比于全桥拓扑，半桥结构中高压IGBT的使用数量仅是其一半，降低了高压IGBT及其驱动板的使用数量，减少了系统成本；二，支撑电容C1由两个均压电容串联组成，通过从C1中性点抽出一个抽头连接变压器，将IGBT和变压器的电压应力降低至输入电压的二分之一，减小了IGBT关断时的电压尖峰和过压风险。
辅助逆变单元3的逆变回路为三相半桥回路，包括与谐振软开关电路共用的电容C2，以及与电容C2并联设置的六个功率管，其中六个功率管分别为功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、功率管VT4、功率管VT5和功率管VT6，功率管VT1与功率管VT4串联，功率管VT2和功率管VT5串联，功率管VT3和功率管VT6串联，两两串联后的功率管并联。上述中，功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均为3300V高压大功率绝缘栅双极型功率管。
辅助逆变单元3的三相滤波回路为LCL型，包括电抗器L3、电容C4和电抗器L4，其中，电抗器L3包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于三组并联的功率管之间；电抗器L4包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于电抗器L3的三个电抗器输出端；电容C4包括并联设置的三个电容，该三个电容分别连接于电抗器L3和电抗器L4之间，电容C4的输出端连接零线。
辅助逆变单元3的三相滤波回路相比LC滤波回路，LCL滤波器对高频谐波具有更高的衰减特性，能取得更好的滤波效果。同时，由于输入电压通过前级DC/DC降压，故辅助逆变单元中的电容C2和IGBT均可以采用较低的电压等级，减小了整个辅助逆变回路电气间的间隙，降低了逆变回路的绝缘等级，进一步节省成本。
本发明通过实际的测量对比，相比与传统工频隔离的方案，整机效率至少提高三个百分点，大大提高了能量的利用率，具有较高的节能效益。

Claims (8)

1.一种辅助逆变电源，其特征在于：包括顺次相连的输入开关单元、DC/DC单元和辅助逆变单元，其中，输入开关单元包括作为预充电回路且串联的接触器K1和电阻R1，以及与预充电回路并联的接触器K2；DC/DC单元包括顺次相连的输入滤波回路、变压器和输出整流回路；辅助逆变单元包括逆变回路和三相滤波回路。
2.根据权利要求1所述的辅助逆变电源，其特征在于：DC/DC单元的输入滤波回路包括连接电源输入端的电抗器L1，串联于电抗器L1输出端的电容C1，以及串联于电抗器L1输出端的功率管VT1和功率管VT2，其中，功率管VT1和功率管VT2的两端同时并联于电容C1的两端；电容C1包括串联的两个，变压器包括输入线圈和输出线圈，输入线圈的其中一端连接电容C1的中部，另外一端连接于功率管VT1和功率管VT2之间；输出整流回路包括两两串联为一组后并联设置的两组二极管，分别为二极管D1和二极管D2串联，二极管D3和二极管D4串联，串联后的两组二极管并联，其中变压器的输出线圈的两端分别连接于二极管D1和二极管D2之间以及二极管D3和二极管D4之间。
3.根据权利要求2所述的辅助逆变电源，其特征在于：DC/DC单元进一步包括谐振软开关电路，谐振软开关电路包括串联设置的功率管VT3和电容C2，其中功率管VT3和电容C2的两端并联于二极管D3和二极管D4的两端。
4.根据权利要求3所述的辅助逆变电源，其特征在于：谐振软开关电路并联有电抗器L2，并联有电容C2，其中，电容C2与电抗器L2串联。
5.根据权利要求4所述的辅助逆变电源，其特征在于：辅助逆变单元的逆变回路为三相半桥回路，包括与谐振软开关电路共用的电容C2，以及与电容C2并联设置的六个功率管，其中六个功率管分别为功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3、功率管VT4、功率管VT5和功率管VT6，功率管VT1与功率管VT4串联，功率管VT2和功率管VT5串联，功率管VT3和功率管VT6串联，两两串联后的功率管并联。
6.根据权利要求5所述的辅助逆变电源，其特征在于：辅助逆变单元的三相滤波回路为LCL型，包括电抗器L3、电容C4和电抗器L4，其中，电抗器L3包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于三组并联的功率管之间；电抗器L4包括并联设置的三个电抗器，该三个电抗器分别连接于电抗器L3的三个电抗器输出端；电容C4包括并联设置的三个电容，该三个电容分别连接于电抗器L3和电抗器L4之间，电容C4的输出端连接零线。
7.根据权利要求1所述的辅助逆变电源，其特征在于：变压器为大功率中频变压器。
8.根据权利要求5所述的辅助逆变电源，其特征在于：功率管VT1、功率管VT2、功率管VT3和功率管VT4均为3300V高压大功率绝缘栅双极型功率管。
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