CN109474170A - 一种海底接驳盒的电源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底接驳盒的电源电路，属于海底观测网技术领域。电路：若干充电电阻、第一分流电阻、整流全桥、储能电容、高压双向触发开关、稳压二极管、稳压限流电阻和三极管，若干充电电阻顺次串联形成第一充电支路，第一充电支路的第一端与岸上高压直流电站电连接，第一充电支路的第二端通过第一分流电阻与整流全桥的直流正端电连接，整流全桥的直流负端连接海洋地，整流全桥的交流正端和负端分别与储能电容的两端电连接，整流全桥的负端和储能电容的连接点、与高压双向触发开关的第一端电连接，高压双向触发开关的第二端与稳压限流电阻的第一端电连接，稳压限流电阻的第二端与稳压二极管的正极电连接。

Description

一种海底接驳盒的电源电路

技术领域

本发明涉及海底观测网技术领域，特别涉及一种海底接驳盒的电源电路。

背景技术

海底观测网是若干放置于海底的观测仪器构成的观测网络。各个观测仪器的能量由水下远程供电系统提供。

参见图1，水下远程供电系统包括岸上高压直流电站101、主供电链路102和分支供电链路103。岸上高压直流电站101与主供电链路102电连接，主供电链路102与分支供电链路103电连接。主供电链路102包括若干通过主复合光缆串接的分支单元。分支单元包括分支器102a、以及与分支器102a连接的主接驳盒102b。各个分支器102a串联。分支供电链路103包括若干次接驳盒103a。主接驳盒102b通过分支复合光缆与至少一个次接驳盒103a电连接，不同主接驳盒102b连接的次接驳盒103a不同。次接驳盒103a与水下用电设备104(包括观测仪器)电连接。

主接驳盒102b是整个水下远程供电系统的核心部件，主要功能是将岸上高压直流电站101提供的岸上高压电源－10kV直流电转换为中压+375V直流电，为观测仪器提供电能。主接驳盒102b一般采用主功率变换单元进行电流转换。但在转换时，需为主功率变换单元提供工作电源。由于工作电源是小电流，比如12V交流电，而岸上高压直流电站101能够提供的直流电是高压直流电，比如－10kV，因此，如何将岸上高压直流电站101提供的高压直流电转换为主功率变换单元的工作电源，成为急需解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种海底接驳盒的电源电路，能够实现将岸上高压直流电站提供的高压直流电转换为接驳盒主功率变换单元的工作电源。所述技术方案如下：

一种海底接驳盒的电源电路，所述电源电路包括：

若干充电电阻、第一分流电阻、整流全桥、储能电容、高压双向触发开关、稳压二极管、稳压限流电阻和三极管，

所述若干充电电阻顺次串联形成第一充电支路，所述第一充电支路的第一端与岸上高压直流电站电连接，所述第一充电支路的第二端通过所述第一分流电阻与所述整流全桥的直流正端电连接，所述整流全桥的直流负端连接海洋地，所述整流全桥的交流正端和负端分别与所述储能电容的两端电连接，

所述整流全桥的负端和所述储能电容的连接点、与所述高压双向触发开关的第一端电连接，所述高压双向触发开关的第二端与所述稳压限流电阻的第一端电连接，所述稳压限流电阻的第二端与所述稳压二极管的正极电连接，所述整流全桥的交流正端和所述储能电容的连接点、与所述稳压二极管的负极电连接，所述稳压限流电阻和所述稳压二极管的连接点、与所述三极管的基极电连接，所述高压双向触发开关和所述稳压限流电阻的连接点、与所述三极管的集电极电连接，所述三极管的发射极接信号地，所述储能电容和所述稳压二极管的连接点、与海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

可选地，所述电源电路还包括第二充电支路和分压支路，所述第二充电支路为n个第一整流二极管串联构成的线路，所述分压支路为n个第一分压电阻串联构成的线路，所述n个第一整流二极管中第i个第一整流二极管和第i+1个第一整流二极管的连接点、与所述n个第一分压电阻中第i个第一分压电阻和第i+1个第一分压电阻的连接点电连接，所述第一充电电路、所述第二充电支路与所述分压支路并联，n为整数且大于1，i为正整数且i≤n。

可选地，n等于10。

可选地，所述电源电路还包括第二分流电阻，所述整流全桥的负端和所述储能电容的连接点、通过所述第二分流电阻与所述高压双向触发开关的第一端电连接。

可选地，所述电源电路还包括第二分压电阻，所述储能电容和所述稳压二极管的连接点、与所述第二分压电阻的第一端电连接，所述第二分压电阻的第二端、与所述高压双向触发开关的第二端和所述稳压限流电阻的连接点电连接。

可选地，所述电源电路还包括第一切换二极管、第二切换二极管和直流电DC/DC转换模块，

所述第一切换二极管的正极与所述第二切换二极管的正极电连接，所述第一切换二极管和所述第二切换二极管的连接点接所述信号地，所述第一切换二极管的负极与所述三极管的发射极电连接，所述第二切换二极管的负极与所述DC/DC转换模块电连接连接，所述DC/DC转换模块与所述海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

可选地，所述三极管为达林顿大功率晶体管。

可选地，所述充电电阻的数量为4。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过若干充电电阻、第一分流电阻、整流全桥、储能电容、以及高压双向触发开关构成弛豫充电电路；稳压二极管、稳压限流电阻和三极管构成线性稳压电路；当弛豫充电电路的输入电压为-10kV高压直流电或者-500V高压直流电时，即为岸上高压直流电站向海底接驳盒(如主接驳盒)提供的高压直流电时，弛豫充电过程包括：储能电容通过第一充电支路充电，整流全桥保证储能电容两端的电压极性在任何输入电压情况下都保持不变；当高压双向触发开关两端电压接近其击穿电压，则高压双向触发开关导通；这样，储能电容电压在高压双向触发开关导通之前会充电升压到高压双向触发开关击穿电压，然后高压双向触发开关导通，储能电容通过高压双向触发开关向线性稳压电路释放能量，形成周期性弛豫充放电的过程；储能电容释放能量的过程中，储能电容电压会逐渐下降，而线性稳压电路将保证在主功率变换单元的启动期间储能电容电压的稳定输出，线性稳压电路输出电压即为储能电容稳定输出的电压；海底接驳盒的主功率转换单元在此电压的激励下，将启动开始工作，并将岸上高压直流电站送来的高压直流电转换为稳定电压375V直流电并输出至次接驳盒；由此，实现了将岸上高压直流电站提供的高压直流电转换为主功率变换单元的工作电源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的水下远程供电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种海底接驳盒的电源电路的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种海底接驳盒的电源电路的工作过程示意图；

图4是本发明实施例提供的双向瞬态过电压保护器两端的电压波形的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种海底接驳盒的电源电路的输出电压的波形的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图2示出了本发明实施例提供的一种海底接驳盒的电源电路，参见图2，该电源电路包括：若干充电电阻、第一分流电阻RC5、整流全桥、储能电容C1、高压双向触发开关K、稳压二极管D15、稳压限流电阻RC7和三极管Q1。若干充电电阻顺次串联形成第一充电支路，第一充电支路的第一端与岸上高压直流电站电连接，第一充电支路的第二端通过第一分流电阻RC5与整流全桥的直流正端电连接，整流全桥的直流负端连接海洋地，整流全桥的交流正端和负端分别与储能电容C1的两端电连接；整流全桥的负端和储能电容C1的连接点、与高压双向触发开关K的第一端电连接，高压双向触发开关K的第二端与稳压限流电阻RC7的第一端电连接，稳压限流电阻RC7的第二端与稳压二极管D15的正极电连接，整流全桥的交流正端和储能电容C1的连接点、与稳压二极管D15的负极电连接，稳压限流电阻RC7和稳压二极管D15的连接点、与三极管Q1的基极电连接，高压双向触发开关K和稳压限流电阻RC7的连接点、与三极管Q1的集电极电连接，三极管Q1的发射极接信号地，储能电容C1和稳压二极管D15的连接点、与海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

其中，充电电阻的数量可以为4。示例性地，若干充电电阻可以包括RC1、RC2、RC3和RC4共4个电阻。

需要说明的是，稳压二极管D15工作在反向击穿状态。

其中，岸上高压直流电站可以是图1示出的水下远程供电系统中的岸上高压直流电站101，海底接驳盒可以是图1示出的水下远程供电系统中的主接驳盒102b。

图3为该电源电路80的工作过程示意图。参见图3，若干充电电阻RC1～RC4、第一分流电阻RC5、整流全桥、储能电容C1、以及高压双向触发开关K构成弛豫充电电路801；稳压二极管D15、稳压限流电阻RC7和三极管Q1构成线性稳压电路802。当弛豫充电电路801的输入电压为-10kV高压直流电或者-500V高压直流电时，即为岸上高压直流电站向海底接驳盒(如主接驳盒)提供的高压直流电时，弛豫充电过程包括：储能电容C1通过RC1～RC5充电，整流全桥保证储能电容C1两端的电压极性在任何输入电压情况下都保持不变；当高压双向触发开关K两端电压接近其击穿电压V_br，则高压双向触发开关K导通；这样，储能电容C1电压在高压双向触发开关K导通之前会充电升压到高压双向触发开关K击穿电压V_br，然后高压双向触发开关K导通，储能电容C1通过高压双向触发开关K向线性稳压电路802释放能量，形成周期性弛豫充放电的过程；储能电容C1释放能量的过程中，储能电容C1电压会逐渐下降，而线性稳压电路802将保证在主功率变换单元的启动期间储能电容C1电压的稳定输出，线性稳压电路802输出电压即为储能电容C1稳定输出的电压VCC；海底接驳盒的主功率转换单元803在此电压VCC的激励下，将启动开始工作，并将岸上高压直流电站送来的高压直流电(可以是-10kV高压直流电)转换为稳定电压375V直流电并输出至次接驳盒。由此，实现了将岸上高压直流电站提供的高压直流电转换为主功率变换单元的工作电源。

示例性地，高压双向触发开关K为双向瞬态过电压保护器(Silicon Diode forAlternating Current，简称SIDAC)。

示例性地，参见图2，该整流全桥包括四个第二整流二极管D11、D12、D13和D14。整流全桥的直流正端为第二整流二极管D11的正极与第二整流二极管D12的负极的连接点。整流全桥的交流正端为第二整流二极管D11的负极与第二整流二极管D13的负极的连接点。整流全桥的直流负端为第二整流二极管D13的正极与第二整流二极管D14的负极的连接点。整流全桥的负端为第二整流二极管D14的正极与第二整流二极管D12的正极的连接点。

示例性地，参见图2，该电源电路还包括第二充电支路和分压支路。第二充电支路为n个第一整流二极管串联构成的线路，分压支路为n个第一分压电阻串联构成的线路，n个第一整流二极管中第i个第一整流二极管Di和第i+1个第一整流二极管Di+1的连接点、与n个第一分压电阻中第i个第一分压电阻Ri和第i+1个第一分压电阻Ri+1的连接点电连接，第一充电电路、第二充电支路与分压支路并联，n为整数且大于1，i为正整数且i≤n。

示例性地，参见图2，n等于10。这样，第二充电支路包括10个第一整流二极管D1～D10，分压支路包括10个第一分压电阻R1～R10。

通过增加第二充电支路和分压支路，该电源电路还能够适用输入电压为+500V直流电的情形。当输入电压为+500V直流电时，储能电容C1通过D1～D10和RC1～RC5充电。当输入电压为-500V直流电或-10kV直流电时，则储能电容C1通过RC1～RC5充电，D1～D10截止，承受输入直流高压，R1～R10分别与D1～D10并联，起到均压作用。

示例性地，参见图2，该电源电路还包括第二分流电阻RC8。整流全桥的负端和储能电容C1的连接点、通过第二分流电阻RC8与高压双向触发开关K的第一端电连接。

示例性地，参见图2，该电源电路还包括第二分压电阻RC6。储能电容C1和稳压二极管D15的连接点、与第二分压电阻RC6的第一端电连接，第二分压电阻RC6的第二端、与高压双向触发开关K的第二端和稳压限流电阻RC7的连接点电连接。

示例性地，参见图2，该电源电路还包括第一切换二极管D16、第二切换二极管D17和直流电DC/DC转换模块800。第一切换二极管D16的正极与第二切换二极管D17的正极电连接，第一切换二极管D16和第二切换二极管D17的连接点接信号地，第一切换二极管D16的负极与三极管Q1的发射极电连接，第二切换二极管D17的负极与DC/DC转换模块800电连接连接，直流电DC/DC转换模块800与海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

示例性地，该三极管Q1为达林顿大功率晶体管。

其中，参见图3，第一切换二极管D16和第二切换二极管D17构成切换电路804。通过在电源电路中增加切换电路804和直流电DC/DC转换模块800，能够当主功率转换单元803进入正常工作状态并输出稳定中压直流375V直流电后，电源电路从岸上高压直流电站取电自动切换到从主功率转换单元803输出的中压375V直流电输出端取电。

示例性地，接驳盒的主功率转换单元803正常工作后将输出稳定电压375V直流电至DC/DC模块800，激励DC/DC模块800开始工作。DC/DC模块800的输出电压略高于线性稳压电路802的输出电压，在第一切换二极管D16和第二切换二极管D17的作用下，线性稳压电路802停止工作，SIDAC截止，主功率转换单元803将自动切换到由DC/DC模块800供电。接下来，主功率转换单元803的供电将全部从主功率转换单元803的输出端取电，整个海底接驳盒的电源系统进入正常工作状态。

下面简单介绍一下图2示出的电源电路的完整工作过程。

第一步、在主功率转换单元803的开始启动阶段，主功率转换单元803未工作，整个海底接驳盒的电源系统的弱电部分无法通过主功率转换单元803获取电能。这时，电源电路通过弛豫充电电路801和线性稳压电路802从高压直流母线(接岸上高压直流电站)上获取电，为海底接驳盒的电源系统提供短暂的辅助电能(图2中V_O1)，完成主功率转换单元803的自动开启工作。图4为SIDAC两端的电压波形的示意图。图5为该电源电路的输出电压的波形的示意图。从图5可以看到，该电源电路周期性地输出满足启动要求的具有一定脉宽的供电电压。

第二步、当主功率转换单元803进入正常工作状态时，主功率转换单元803输出端建立稳定中压直流375V直流电的输出。

第三步、DC/DC模块800开始工作，从主功率转换单元803的输出端取电(图2中V_O2)，并提供给主功率转换单元803等用电设备。

这样，避免从高压直流母线高压取电存在的较大功率损耗。自此，电源电路完成整个电源系统从启动到正常工作的转化。需要说明的是，在第一步，岸上高压直流电站可以分别向主功率转换单元803和电源电路送入+500V、-500V、-10kV直流电。而经过一定时间后，在第二步，岸上高压直流电站可以分别向主功率转换单元803和电源电路送入-10kV直流电。

下面介绍一示例性场景中上述海底接驳盒的电源电路的结构，该电源电路包括弛豫充电电路801、线性稳压电路802、切换电路804和DC/DC模块800。在该场景下，弛豫充电电路801的输入电压为-10kV高压直流电。

首先，弛豫充电电路801可以包括4个充电电阻RC1～RC4、第一分流电阻RC5、储能电容C1、SIDAC、10个第一分压电阻R1～R10、以及10个第一整流二极管D1～D10，各电路元件的工作参数如下。

为了减小充电瞬时损耗功率，可以将弛豫充电电路801的充电电流设置为1mA，则，RC1～RC5的阻值选取分别如公式(1)和(2)所示。

即，RC1～RC4的阻值选取为2.5MΩ、耐压5kV型号。RC5的阻值则选取为500kΩ、耐压2.5kV型号。

D1～D10共同承受高截止电压。单个第一整流二极管的最大截止电压为1kV，流过电流为0.1mA。D1～D10可选择小电流、2.5kV耐压型号。R1～R10则选取为10MΩ、耐压5kV型号。

储能电容C1的最大工作电压Vc1由SIDAC的击穿电压Vbr决定。为了提高存储能量，选取击穿电压Vbr＝79V的SIDAC。SIDAC的导通电流则由输出辅助供电电流决定，为5.75A。

假设储能电容C1释放能量过程中需能提供持续5ms的5.75A电流，端电压从79V降到20V。基于电容的电荷量△Q_C1与电压U_C1的关系ΔQ_C1＝C1U_C1，得到公式(3)。当电容C1恒流放电时，端电压线性降低，可根据公式(4)计算所需要的储能电容容值C1。I_C1为储能电容C1的电流。

以上，弛豫充电电路801的驰豫充电时间△t_放电如公式(5)所示。

则，储能电容C1选取具有自愈能力的大容量金属薄膜电容，容值C1>487uF、耐压160V、输出电流能力>5.75A。

其次，线性稳压电路802可以包括稳压二极管D15、稳压限流电阻RC7和达林顿管Q1，各电路元件的参数如下。

考虑到供电电流较大，达林顿管Q1的过流能力要求大于5.75A，工作最大电压为79V。达林顿管Q1在线性放大区范围包含Vce＝79V且Ie＝5.75A、以及Vce＝20V且Ie＝5.75A这两个稳态工作点。达林顿管Q1的放大系数选取β为1000倍，则达林顿管Q1的基极电流Ib如公式(6)所示。

当输入电压和输出电压差最大时，达林顿管Q1承受此电压差，产生的最大损耗功率PDiss如公式(7)所示。

P_Diss＝5.75A×(79V-12V)＝385W@5ms…...(7)

假设60s发送一次启动脉冲，则达林顿管Q1的平均损耗功率PQ1如公式(8)所示。

因此，虽然线性稳压电路802的输入输出压差大，瞬时损耗功率严重，但是平均损耗功率微乎其微，达林顿管Q1不存在散热问题。

稳压二极管D15提供的参考电压V_ref和达林顿管Q1的基射极电压Vbe决定了输出电压V_CC。达林顿管Q1的基射极电压一般为Vbe＝0.7V×2＝1.4V。输出稳态电压V_CC＝12V。可选取稳压二极管D15的额定电压VZt如公式(9)所示。

V_Zt＝V_cc+V_be＝12V+0.7V×2＝13.4V…...(9)

当储能电容C1端电压在79V到20V之间变化时，稳压二极管D15都要求能提供稳定参考电压V_ref。稳压二极管D15的稳压工作电流变化范围假设在1mA到10mA之间。达林顿管Q1的基极电流I_b≈5.75mA。则稳压限流电阻RC7的阻值选取如公式(10)所示。

然后，切换电路804可以包括二极管D16和D17。示例性地，二极管D16和D17可以为同类型二极管，可以选取最大截止电压为1kV、流过电流为10A的二极管。

最后，DC/DC模块800可以选取输出功率为50W，输入电压范围为200V～400V直流电的DC/DC模块。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底接驳盒的电源电路，其特征在于，所述电源电路包括：

若干充电电阻、第一分流电阻、整流全桥、储能电容、高压双向触发开关、稳压二极管、稳压限流电阻和三极管，所述若干充电电阻顺次串联形成第一充电支路，所述第一充电支路的第一端与岸上高压直流电站电连接，所述第一充电支路的第二端通过所述第一分流电阻与所述整流全桥的直流正端电连接，所述整流全桥的直流负端连接海洋地，所述整流全桥的交流正端和负端分别与所述储能电容的两端电连接，所述整流全桥的负端和所述储能电容的连接点、与所述高压双向触发开关的第一端电连接，所述高压双向触发开关的第二端与所述稳压限流电阻的第一端电连接，所述稳压限流电阻的第二端与所述稳压二极管的正极电连接，所述整流全桥的交流正端和所述储能电容的连接点、与所述稳压二极管的负极电连接，所述稳压限流电阻和所述稳压二极管的连接点、与所述三极管的基极电连接，所述高压双向触发开关和所述稳压限流电阻的连接点、与所述三极管的集电极电连接，所述三极管的发射极接信号地，所述储能电容和所述稳压二极管的连接点、与海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括第二充电支路和分压支路，所述第二充电支路为n个第一整流二极管串联构成的线路，所述分压支路为n个第一分压电阻串联构成的线路，所述n个第一整流二极管中第i个第一整流二极管和第i+1个第一整流二极管的连接点、与所述n个第一分压电阻中第i个第一分压电阻和第i+1个第一分压电阻的连接点电连接，所述第一充电电路、所述第二充电支路与所述分压支路并联，n为整数且大于1，i为正整数且i≤n。

3.根据权利要求2所述的电源电路，其特征在于，n等于10。

4.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括第二分流电阻，所述整流全桥的负端和所述储能电容的连接点、通过所述第二分流电阻与所述高压双向触发开关的第一端电连接。

5.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括第二分压电阻，所述储能电容和所述稳压二极管的连接点、与所述第二分压电阻的第一端电连接，所述第二分压电阻的第二端、与所述高压双向触发开关的第二端和所述稳压限流电阻的连接点电连接。

6.根据权利要求1所述的电源电路，其特征在于，所述电源电路还包括第一切换二极管、第二切换二极管和直流电DC/DC转换模块，

所述第一切换二极管的正极与所述第二切换二极管的正极电连接，所述第一切换二极管和所述第二切换二极管的连接点接所述信号地，所述第一切换二极管的负极与所述三极管的发射极电连接，所述第二切换二极管的负极与所述DC/DC转换模块电连接连接，所述DC/DC转换模块与所述海底接驳盒的主功率转换单元电连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电源电路，其特征在于，所述三极管为达林顿大功率晶体管。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的电源电路，其特征在于，所述充电电阻的数量为4。