CN108092520A - 一种基于单充电回路的h桥串并联快控电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，包括变流器单元、H桥逆变单元和充电单元，变流器单元采用H桥级联多电平拓扑结构，变流器单元包括充电模块单元U1、桥臂单元和线圈负载，每个桥臂单元由m(m≥1)个H桥单元串联而成，在每个桥臂单元中还串联电容(L1‑Ln)，每个桥臂单元之间并联，在变流器单元的交流电输入端口串接充电单元U1，在桥臂单元(A1n‑Amn)上并联接入线圈负载。本发明的快控电源系统，采用了同一套充电单元，断开后端的开关QF，可以完成全部单元模块储能直流电容的预充电过程，预充电过程中效率高，充电单元利用率高。具有实用性强，H桥单元电路及结构简单，维护方便，直流电压利用率高等特点。

Description

一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统
技术领域
本发明涉及脉冲电源技术领域，具体涉及多电容储能型H桥模块串并联的大功率快控电源系统。
背景技术
超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)的快速控制电源是一种具有电流源特性的大容量电压源型逆变器，其作用是控制输出电流实时跟踪等离子体漂移产生的位移信号，为真空室内部的快控线圈提供数千或数十千安培的励磁电流，形成磁场以维持等离子体在非圆截面时的动态平衡和准确位置，以抑制等离子体在大拉长形下的快速漂移。快控电源实际上是一种单相逆变电源，但与常规逆变电源不同的是电源的输出电流波形不是正弦波，其幅值和频率都具有很强的随机性，其电流必须根据等离子体电流在垂直方向上偏离平衡位置的位移来快速变化，使等离子体处于相对平衡的位置。同时该电源的负载电流要求纹波尽量小，为此应用移相PWM多重化技术以达到系统所需要求。通常要求用于EAST装置的快控电源能够输出数千或数十千安培的负载电流，并且要求电流的响应时间不超过1ms或者更快，而单台变流器很难实现如此大而快速的电流响应，为此采用多组变流器单元串并联的方式。某快控线圈输出电流波形要求如图1所示。从图中可看出该电源为短时大电流输出脉冲，通常大电流持续时间不超过1s。稳态输出电流为峰值电流的几十分之一。目前运行的快控电源均是在中高压多电平变频器基础上改制而成。
发明的目的：为了解决上述常用快控电源存在的这些缺点，本发明涉及一种单充电回路的快控电源，单充电的方式使得本发明电源系统的安装空间和设备成本均降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，采用单充电的方式使得本发明电源系统的安装空间和设备成本均降低，在给负载大电流/电压放电时，可停止充电，然后通过相应控制算法控制全控的半导体器件，来调整上下桥臂电容的数量来调节电源的输出电压值。在小电流/电压放电或者停止放电的间隙期间，完成所有H桥单元中的储能电容的充电和放电过程，以解决上述背景技术中常用快控电源存在的缺点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，包括变流器单元、H桥逆变单元和充电单元，变流器单元采用H桥级联多电平拓扑结构，变流器单元包括充电模块单元U1、桥臂单元和线圈负载，每个桥臂单元由m(m≥1)个H桥单元串联而成，在每个桥臂单元中还串联电容(L1-Ln)，每个桥臂单元之间并联，在变流器单元的交流电输入端口串接充电单元U1，在桥臂单元(A1n-Amn)上并联接入线圈负载，并联接扣上连接断路器QF，线圈负载由电阻R和电感L组成，电阻R和电感L串联；
每个H桥单元由四个开关管(S1、S2、S3和S4)、二极管以及储能电容组成，每个开关管的集电极串联二极管，并接到发射极形成回路；在开关管S1与二极管形成回路、开关管2与二极管形成回路、开关管S3与二极管形成回路和开关管S4与二极管形成回路串联形成闭合回路，在闭合回路上并联储能电容，在开关管S1与二极管形成回路以及开关管与二极管S2形成回路之间串联回路上为输入端，在开关管S3与二极管形成回路以及开关管S4与二极管形成回路之间串联回路上为输出端；
充电单元包括充电模块单元U1和充电单元U1，充电模块单元U1由三相二极管整流器和IGBT斩波单元组成，三相二极管整流器和IGBT斩波单元并联形成回路，三相二极管整流器的每一相均由二极管串联形成，每两个二极管串联后形成单相二极管整流器，每个单相二极管整流器并联形成三相二极管整流器，在三相二极管整流器上还并联储能电容，三相二极管整流器将三相交流电压转化成直流电压。
优选的，所述充电单元U1由三相IGBT桥式整流器和双向DC/DC单元组成，在充电模块单元U1和充电单元U1中的LC回路均为滤波电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，采用了单一充电单元，即可完成对变流设备上所有的H桥模块直流侧储能电容的充电过程，拓扑结构简单可靠；采用了适当的分时充电控制方式，大电流高电压输出时，所有H桥模块同时对负载放电，此时可停止单个模块对其它模块的充电，在小电流或者无输出的间隙时间再充电；采用了同一套充电单元，断开后端的开关QF，可以完成全部单元模块储能直流电容的预充电过程，预充电过程中效率高，充电单元利用率高。，具有实用性强，H桥单元电路及结构简单，维护方便，直流电压利用率高等特点，无需在每个H桥子模块上配置独立的充电电路，整个装置的体积和成本相对降低。
附图说明
图1为本发明的快控电源输出电流波形图；
图2为本发明常用快控电源用变流器拓扑结构图；
图3为背景技术中带整流模块和储能电容的H桥单元模块；
图4为本发明供快控电源使用变流器拓扑结构图；
图5为本发明的H桥逆变单元电路结构图；
图6为本发明的充电单元U1电路结构图；
图7为本发明的具有能量回馈功能的充电单元U1电路结构图；
图8为本发明的充电单元给H桥模块单元充电电路结构图；
图9为本发明的充电方式结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行亲楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
原有对比方案：
请参阅图1-3，为此应用移相PWM多重化技术以达到系统所需要求。通常要求用于EAST装置的快控电源能够输出数千或数十千安培的负载电流，并且要求电流的响应时间不超过1ms或者更快，而单台变流器很难实现如此大而快速的电流响应，为此采用多组变流器单元串并联的方式。某快控线圈输出电流波形要求如图1所示。从图中可看出该电源为短时大电流输出脉冲，通常大电流持续时间不超过1s。稳态输出电流为峰值电流的几十分之一。
目前运行的快控电源均是在中高压多电平变频器基础上改制而成。该电源由多组相同结构的变流器并联而成，单台变流器原理框图如图2所示，该变流器中所使用H桥模块单元结构图如图3所示。从图2、图3中可看出该变流器主要采用级联H桥拓扑结构，由于输入为交流电压，故在每个H桥模块单元前端增加三相隔离变压器和三相二极管整流桥，或者前端用一台或者多台多输出绕组的变压器等方式。
该电源由多组相同结构的变流器并联而成，单台变流器原理框图如图2所示，该变流器中所使用H桥模块单元结构图如图3所示。从图2、图3中可看出该变流器主要采用级联H桥拓扑结构，由于输入为交流电压，故在每个H桥模块单元前端增加三相隔离变压器和三相二极管整流桥，或者前端用一台或者多台多输出绕组的变压器等方式。快控电源系统使用图2所示结构虽然能满足EAST装置实验的要求，但也存在以下缺点：
1、每个H桥模块输入侧均通过隔离变压器供电。由于快控电源属于短时工作电源，即有充足的时间可用来给每个模块充电。过多的隔离变压器不仅增加了设备成本，还增加了设备所需安装空间。
2、每个H桥模块内均有三相二极管整流模块。过多的整流元器件使得快控电源系统出现失效的可能性得以提高，成本也相应增加。
3、由于瞬间脉冲电流很大，每个H桥模块内往往需要配较多的储能直流电容，因此必须配置专门的预充电回路，这样也增加了系统的体积和成本。
4、在大电流对负载放电的过程中，如果电容上的直流电压下降很快，会造成输入侧电流很大，对输入电网造成较大的冲击。
改进后形成的方案：
请参阅图4-9，本发明提供一种技术方案：一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，包括变流器单元、H桥逆变单元和充电单元，变流器单元采用H桥级联多电平拓扑结构，变流器单元包括充电模块单元U1、桥臂单元和线圈负载，每个桥臂单元由m(m≥1)个H桥单元串联而成，即图4中的模块单元A11-Am1，为了提高设备的输出电流等级，本发明装置采用n(n≥2)个单桥臂单元并联的方式。本发明电源结构中的某一时刻处于工作状态的串并联模块数均可根据设备负载需求进行调整，在每个桥臂单元中还串联电容(L1-Ln)，每个桥臂单元之间并联，在变流器单元的交流电输入端口串接充电单元U1，在桥臂单元(A1n-Amn)上并联接入线圈负载，并联接扣上连接断路器QF，线圈负载由电阻R和电感L组成，电阻R和电感L串联，图4中的R为线路与线圈的等效电阻。
每个H桥单元由四个开关管(S1、S2、S3和S4)、二极管以及储能电容组成，每个开关管的集电极串联二极管，并接到发射极形成回路；在开关管S1与二极管形成回路、开关管2与二极管形成回路、开关管S3与二极管形成回路和开关管S4与二极管形成回路串联形成闭合回路，在闭合回路上并联储能电容，在开关管S1与二极管形成回路以及开关管与二极管S2形成回路之间串联回路上为输入端，在开关管S3与二极管形成回路以及开关管S4与二极管形成回路之间串联回路上为输出端；
充电单元包括充电模块单元U1和充电单元U1，充电模块单元U1由三相二极管整流器和IGBT斩波单元组成，三相二极管整流器和IGBT斩波单元并联形成回路，三相二极管整流器的每一相均由二极管串联形成，每两个二极管串联后形成单相二极管整流器，每个单相二极管整流器并联形成三相二极管整流器，在三相二极管整流器上还并联储能电容，三相二极管整流器将三相交流电压转化成直流电压；与常见结构不同的是，本发明变流器结构只采用单一充电模块单元U1；充电单元U1由三相IGBT桥式整流器和双向DC/DC单元组成，在充电模块单元U1和充电单元U1中的LC回路均为滤波电路，由于均采用的是双向器件，故可实现能量的双向流动，该结构除可完成图6所示结构充电单元的功能外，还可回馈能量至电网中。
由于快控电源属于短时大脉冲电流和长时间小电流工作方式的电源，故可利用分时充电的方式给变流器单元中的每个H桥模块的直流侧电容充电。对整个电源系统中各模块单元进行预充电时，需将图4中断路器QF断开。充电既可以每次只给一个模块充电，该方式下每个H桥模块的直流侧电压均可充到充电单元输出电压值，该方式下将不需要充电的模块给旁路掉即可(开关管S1、S2同时导通或者开关管S3、S4同时导通，该充电方式示意图如图9a所示；也可以每次给多个模块充电，该方式下各模块直流侧的电压可大可小，可通过控制已充电H桥模块输出电压极性来调节，在该状态下的各种充电方式示意图如图9b、9c、9d所示。从图9中可看出，只需更改控制策略即可实现各H桥模块直流侧电压的调节，而各H桥模块直流侧电压值具体和当前时刻所需电流值大小有关。
本发明中：在给负载大电流/电压放电时，可停止充电，然后通过相应控制算法控制全控的半导体器件，来调整上下桥臂电容的数量来调节电源的输出电压值。在小电流/电压放电或者停止放电的间隙期间，完成所有H桥单元中的储能电容的充电和放电过程。本发明快控电源系统具有实用性强，H桥单元电路及结构简单，维护方便，直流电压利用率高等特点，无需在每个H桥子模块上配置独立的充电电路，整个装置的体积和成本相对降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，包括变流器单元、H桥逆变单元和充电单元，其特征在于：变流器单元采用H桥级联多电平拓扑结构，变流器单元包括充电模块单元U1、桥臂单元和线圈负载，每个桥臂单元由m(m≥1)个H桥单元串联而成，在每个桥臂单元中还串联电容(L1-Ln)，每个桥臂单元之间并联，在变流器单元的交流电输入端口串接充电单元U1，在桥臂单元(A1n-Amn)上并联接入线圈负载，并联接扣上连接断路器QF，线圈负载由电阻R和电感L组成，电阻R和电感L串联；
每个H桥单元由四个开关管(S1、S2、S3和S4)、二极管以及储能电容组成，每个开关管的集电极串联二极管，并接到发射极形成回路；在开关管S1与二极管形成回路、开关管2与二极管形成回路、开关管S3与二极管形成回路和开关管S4与二极管形成回路串联形成闭合回路，在闭合回路上并联储能电容，在开关管S1与二极管形成回路以及开关管与二极管S2形成回路之间串联回路上为输入端，在开关管S3与二极管形成回路以及开关管S4与二极管形成回路之间串联回路上为输出端；
充电单元包括充电模块单元U1和充电单元U1，充电模块单元U1由三相二极管整流器和IGBT斩波单元组成，三相二极管整流器和IGBT斩波单元并联形成回路，三相二极管整流器的每一相均由二极管串联形成，每两个二极管串联后形成单相二极管整流器，每个单相二极管整流器并联形成三相二极管整流器，在三相二极管整流器上还并联储能电容，三相二极管整流器将三相交流电压转化成直流电压。
2.根据权利要求1所述的一种基于单充电回路的H桥串并联快控电源系统，其特征在于：所述充电单元U1由三相IGBT桥式整流器和双向DC/DC单元组成，在充电模块单元U1和充电单元U1中的LC回路均为滤波电路。
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