CN113726192A - 一种大功率高压电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率高压电源，控制组件监测逆变组件和升压组件的工作状态，向逆变组件输出脉冲信号，逆变组件实现AC‑DC‑AC变换，输入三相交流电压AC，整流滤波成直流电压DC，逆变成高频交流低压AC，向升压组件输出，升压组件采用油绝缘实现AC‑DC变换，将高频交流低压AC升压，整流滤波成直流高压DC输出；驱动功率大，波形上升/下降沿小，关断可靠，隔离度高，抗干扰性强，可满足二十台以上大功率逆变器需要，实现了高速开关器件的零电压‑零电流软开关，减少了开关损耗，降低了雷达整机用电功率，提高了整机效率。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种高压开关电源技术。
背景技术
在雷达系统中，大功率高压电源是真空管雷达发射机的重要组成部分。提高大功率高压电源的技术水平，可以极大地减小发射机系统的体积和重量，同时提高可靠性。随着雷达作用距离和性能的不断提高，真空管雷达发射机在电源的各项指标，特别是效率、功率密度、输出功率等方面，对高压电源提出了更高的要求。
传统的大功率高压电源大多采用传统的常规电源+开关电源“和差式”方案，整机体积大、重量重、不易维护，无法满足发射机对高压电源小体积重量的要求。开关电源技术发展成熟后，大功率高压电源也开始采用全开关电源技术，但整机效率、功率密度、输出功率等指标相对较低，无法满足真空管雷达发射机的需求。因此，需要研制一种高效、高密度、大功率高压电源以满足实际工程需求。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate BipolarTransistor，简称IGBT，是由双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降。IGBT综合了两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，适用于直流电压600V以上的大功率变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域，是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的CPU。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种大功率高压电源，输入电压为三相交流380V，输出电压达到100kV，平均输出功率达到200kW，效率达到92％，体积控制在520mm×600mm×2000mm，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。
电源包括控制组件、逆变组件和升压组件，控制组件监测逆变组件和升压组件的工作状态，向逆变组件输出脉冲信号；逆变组件实现AC-DC-AC变换，输入三相交流电压AC，整流滤波成直流电压DC，逆变成高频交流低压AC，向升压组件输出；升压组件采用油绝缘实现AC-DC变换，将高频交流低压AC升压，整流滤波成直流高压DC输出。
控制组件包括电流和电压监测电路，采集逆变组件的电流信号和升压组件的电压信号，若电流值和电压值超过阈值，则停止逆变组件和升压组件工作，实现故障和异常保护。
控制组件包括移相控制集成芯片，根据电压信号与阈值之间的差值，调节脉冲信号的相位、频率和死区时间，以调节逆变组件的输出，实现升压组件的稳压。
逆变组件包括三相滤波器Z1、三相整流桥V1、扼流圈L1、电感L2、电容C1和C2、四只大功率IGBT管V2、V3、V4和V5组成的全桥电路，三相交流电压输入三相滤波器Z1，经过三相整流桥V1，由扼流圈L1和电容C1滤波成直流电压，加载于全桥电路，电感L2和电容C2串联形成谐振，以降低IGBT管损耗。
脉冲信号驱动全桥电路导通或关断，在全桥中点的两端形成与开关频率相同的高频交流方波，调节输入各IGBT管的脉冲信号之间的相位差，以调节交流方波的脉冲宽度。
驱动四只IGBT的脉冲信号设置相位关系，上下桥臂串联的两只IGBT管之间的相位差180度，开通和关断互不重叠，左右桥臂并联的两组IGBT管之间的相位差在0至180度之间变化。
升压组件包括升压变压器、整流电路、高压电容C和限流电阻R，升压变压器和整流电路置于油箱内，采用高压绝缘端子，保证连接的可靠性和安全性，将高频交流低压升压整流成脉动直流负高压，电压增幅受脉冲宽度控制，由高压电容C滤波，经限流电阻R输出。
升压组件包括板式换热器，外部液冷源提供冷却水，与油箱中的油通过板式换热器进行热交换。
三相交流电压380V，逆变组件扩展为四台，参数相同，每台输出功率为25kW，采用120KV高压电容，升压组件输出电压100kV。
每个逆变组件的四只IGBT管对应的四路脉冲信号分别并联，由控制组件分四路输出，每一路驱动四个逆变组件的相同位置的IGBT管。
本发明的有益效果：移相控制方式运用电磁耦合，实现多路逆变器的驱动，驱动功率大，波形上升/下降沿小，关断可靠，隔离度高，抗干扰性强，可满足二十台以上大功率逆变器需要；采用谐振变换电路，实现了高速开关器件的零电压-零电流软开关，减少了开关损耗，降低了雷达整机用电功率，功率密度达到1.5kW/m3，相比以前产品提升40％，整机效率≥92％；针对高压升压整流组件绝缘电压高、体积要求小、升压比大的特点，实现了较小尺寸下、上百千伏的电压绝缘；采用模块化设计，逆变器可扩展，相比常规电源，输出平均功率可扩展至400kW，输出电压高达100kV。
附图说明
图1是电源结构原理图，图2是逆变组件电路图，图3是升压组件结构原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。
电源的结构原理如图1所示，逆变组件采用4个逆变器，输入三相交流电380V，每台输出功率为25kW，控制组件向逆变器输出脉冲信号，逆变器向升压组件输出高频交流低压，升压组件采用高压油箱绝缘，输出直流高压。
逆变器的电路如图2所示，三相交流电压输入三相滤波器Z1，经过三相整流桥V1，由扼流圈L1和电容C1滤波成直流电压，加载于四只大功率IGBT管V2、V3、V4和V5组成的全桥电路，电感L2和电容C2串联形成谐振，以降低IGBT管损耗。
在IGBT管的栅极和源极之间施加电压，控制其通断：若驱动正电压，当高于开启电压VGS(th)，则漏极与源极间成低阻状态，使IGBT管导通，否则漏极与源极间成高阻状态，使IGBT管关断。
IGBT管与续流二极管通过特定的电路桥接封装而成的模块化器件，具有损耗小、安装维修方便、散热稳定等特点。
每个逆变器的四只IGBT管对应的A/B/C/D四路驱动信号并联，如A1、A2、A3……并联，B1、B2、B3……并联，由控制组件分四路输出，匹配数十台逆变器，扩展整个高压电源系统。
驱动四只IGBT的脉冲信号设置相位关系，上下桥臂串联的两只IGBT管的驱动信号相位差180度，开通和关断互不重叠，左右桥臂并联的两组IGBT管的驱动信号相位差在0至180度之间变化，控制输出电压。
脉冲信号驱动全桥电路导通或关断，在全桥中点的两端形成与开关频率相同的高频交流方波，调节输入各IGBT管的脉冲信号之间的相位差，以调节交流方波的脉冲宽度。
升压组件的结构原理如图3所示，升压变压器和整流电路置于油箱内，采用高压绝缘端子，保证连接的可靠性和安全性，电压增幅受脉冲宽度控制，由高压电容C滤波，经限流电阻R输出100kV负高压。
上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大功率高压电源，其特征在于，包括：控制组件、逆变组件和升压组件，控制组件监测逆变组件和升压组件的工作状态，向逆变组件输出脉冲信号；逆变组件实现AC-DC-AC变换，输入三相交流电压AC，整流滤波成直流电压DC，逆变成高频交流低压AC，向升压组件输出；升压组件采用油绝缘实现AC-DC变换，将高频交流低压AC升压，整流滤波成直流高压DC输出。
2.根据权利要求1所述的大功率高压电源，其特征在于，所述控制组件，包括：电流和电压监测电路，采集逆变组件的电流信号和升压组件的电压信号，若电流值和电压值超过阈值，则停止逆变组件和升压组件工作。
3.根据权利要求2所述的大功率高压电源，其特征在于，所述控制组件，包括：移相控制集成芯片，根据电压信号与阈值之间的差值，调节脉冲信号的相位、频率和死区时间，以调节逆变组件的输出。
4.根据权利要求1所述的大功率高压电源，其特征在于，所述逆变组件，包括：三相滤波器Z1、三相整流桥V1、扼流圈L1、电感L2、电容C1和C2、四只大功率IGBT管V2、V3、V4和V5组成的全桥电路，三相交流电压输入三相滤波器Z1，经过三相整流桥V1，由扼流圈L1和电容C1滤波成直流电压，加载于全桥电路，电感L2和电容C2串联形成谐振。
5.根据权利要求4所述的大功率高压电源，其特征在于，所述逆变组件，包括：脉冲信号驱动全桥电路导通或关断，在全桥中点的两端形成与开关频率相同的高频交流方波，调节输入各IGBT管的脉冲信号之间的相位差，以调节交流方波的脉冲宽度。
6.根据权利要求5所述的大功率高压电源，其特征在于，所述脉冲信号，包括：驱动四只IGBT的脉冲信号设置相位关系，上下桥臂串联的两只IGBT管之间的相位差180度，开通和关断互不重叠，左右桥臂并联的两组IGBT管之间的相位差在0至180度之间变化。
7.根据权利要求1所述的大功率高压电源，其特征在于，所述升压组件，包括：升压变压器、整流电路、高压电容C和限流电阻R，升压变压器和整流电路置于油箱内，采用高压绝缘端子，保证连接的可靠性和安全性，将高频交流低压升压整流成脉动直流负高压，电压增幅受脉冲宽度控制，由高压电容C滤波，经限流电阻R输出。
8.根据权利要求7所述的大功率高压电源，其特征在于，所述升压组件，包括：板式换热器，外部液冷源提供冷却水，与油箱中的油通过板式换热器进行热交换。
9.根据权利要求1至8任一所述的大功率高压电源，其特征在于，所述升压组件，包括：三相交流电压380V，扩展为四台，参数相同，每台输出功率为25kW，采用120KV高压电容，升压组件输出电压100kV。
10.根据权利要求9所述的大功率高压电源，其特征在于，所述逆变组件，包括：每个逆变组件的四只IGBT管对应的四路脉冲信号分别并联，由控制组件分四路输出，每一路驱动四个逆变组件的相同位置的IGBT管。
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