CN114679064B - 一体化充电电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一体化充电电源，由控制单元、隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元、远程控制单元、变压器耦合隔离供电单元及设置与显示单元组成；控制单元依次与隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元连接并组合回路；控制单元还分别与全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、设置与显示单元连接；变压器耦合隔离供电单元与正负电压转换单元和信号发送单元连接。该一体化电源解决了复杂干扰环境对电源的干扰问题。
Description
技术领域
本发明属于特种电源技术和高电压试验技术领域，具体涉及一种一体化充电电源。
背景技术
近年来，随着激光聚变、大型粒子加速器、脉冲功率装置、高电压工程、大功率微波源、雷达发射机等领域的发展，通过脉冲电容器快速放电产生高功率脉冲的高功率特种电源技术得到广泛应用，而脉冲电容的高压充电电源是高功率特种电源设备充电的关键。目前直流高压充电电源大多数是单极性性电源，即正极性充电电源或负极性充电电源，正负双极性充电电源较少，且有以下问题：1)控制单元、正极性输出高压单元及负极性高压输出单元采用分立设计；2)正极性高压与负极性高压电压偏差较大；3)高压采样单元信号直接进入控制电路，高压输出地与控制信号共地；4)未考虑正极性电压与负极性电压电位不平衡保护设计；5)隔离措施不完善。这些问题使得现有高压充电电源不能满足复杂电磁干扰环境下可靠稳定运行的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于复杂电磁干扰环境下正负双极性直流高压的一体化充电电源。本发明提出采用控制单元、正负高压整流单元及正负高压隔离采样单元一体化设计，通过隔离、屏蔽及保护的措施，解决了复杂电磁干扰环境对电源的干扰问题，多台充电电源并联成功应用于负载电容器储能18.3MJ充放电试验。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一体化充电电源，所述充电电源由控制单元、隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元、远程控制单元、变压器耦合隔离供电单元及设置与显示单元组成；其连接关系是：控制单元依次与隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元连接并组合回路；控制单元还分别与全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、设置与显示单元连接；变压器耦合隔离供电单元与正负电压转换单元和信号发送单元连接。
进一步，一体化充电电源在负载电容器整个充电过程中，可通过充电电压电位不平衡特征检测负载充电回路工作状态，当两个电压的绝对值相差大于等于0.2kV时，充电电源自动进入保护模式，停止输出直流高压，用于检测负载电容器充电回路工作状态，
进一步，所述控制单元、电压还原单元及信号接收单元3个单元信号共地，与其它各单元信号均隔离；所述正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元及变压器耦合隔离供电单元5个单元信号共地，与其它各个单元信号均隔离；隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元及设置与显示单元的信号分别隔离，且与其它单元信号隔离。
进一步，所述全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元及正负高压采样单元，由直流侧母线电容、全桥IGBT开关管Q1～Q4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变比为n的高频变压器T、续流二极管D1～D4、高频整流桥D5～D12，R1～R4及C1～C4组成正负高压采样电路及负载储能电容C组成。
进一步，所述隔离驱动单元由隔离芯片、驱动芯片、电源模块及电阻等器件组成。
进一步，所述正负电压转换单元由AD652型电压频率转换芯片U1、U2，2MHz晶振T1、T2，电阻器R5～R8、电容器C5、C6组成；其功能是将输入0～±5V的双极性直流电压转换为高频数字信号，转换成设定电压幅度和不同频率的高频数字信号。
进一步，信号发送单元与信号接收单元由信号驱动电路、信号发送电路、光纤及信号接收电路组成。其中驱动电路由IXDN614SITR驱动器U1组成，信号发送电路由HFBR-1412TZ光纤发射器U2及外围电路组成，信号接收电路由HFBR-2412TZ型光电接收器U3及外围电路组成。
进一步，所述电压还原单元由AD652型频率电压转换芯片U3、晶振T3及外围电阻器、电容器组成。
进一步，所述变压器耦合隔离供电单元由DC/DC模块单元、PWM单元、驱动电路单元、全桥逆变单元、谐振及隔离变压器单元、整流滤波单元、稳压三端①、稳压三端②及电荷泵单元组成。变压器耦合隔离供电电路采用电荷泵、线性稳压及开关电源方式产生所不同的直流电压，为正负电压转换单元及信号发送单元供电，通过隔离变压器实现正负高压采样单元地(高压地)与其它单元地之间的电气隔离。
附图说明
图1为本发明一体化充电电源原理框图；
图2为电源对560μF电容器充电±10.5kV过程中，电源输出正、负极性分别对地端的电压波形；
图3为全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元及正负高压采样单元原理图；
图4为正负电压转换单元原理图；
图5为信号发送单元与信号接收单元原理图；
图6为变压器耦合隔离供电单元原理框图。
具体实施措施
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细解释。
一体化充电电源原理框图如图1所示，该电源输出电压0.5kV～±10kV可调，平均功率3kW双极性一体化直流高压充电电源。所述充电电源由控制单元、隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元、远程控制单元、变压器耦合隔离供电单元及设置与显示单元组成；其连接关系是：控制单元依次与隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元连接并组合回路；控制单元还分别与全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、设置与显示单元连接；变压器耦合隔离供电单元与正负电压转换单元和信号发送单元连接。
正负双极性直流高压一体化充电电源，工作原理是：控制电路产生两路控制信号经隔离驱动单元后使全桥逆变单元开关管交替导通，直流低压经全桥逆变单元与LC谐振及高频升压单元中谐振电容器和变压器初级形成LC谐振回路，产生交流低压信号，该信号经高频变压器升压后产生两路交流高压信号，两路高压信号分别经正负高压整流单元后产生正负直流高压，正负高压采样单元对正负直流高压进行采样后输出0～±5V直流电压，该电压经正负电压转换单元后输出两路高频信号，通过信号发送单元将两路高频信号转换为光脉冲信号，光脉冲信号经光纤传输至信号接收单元，信号接收单元将两路光脉冲信号转换为两路高频信号，电压还原单元将两路高频信号还原成两路0～5V直流电压，该电压作为采样电压进入控制单元，控制单元通过计算后调节控制信号输出，形成闭环控制。变压器耦合隔离供电单元为正负电压转换单元和信号发送单元供电。
一体化充电电源同时对输出的正极性高压和负极性高压进行隔离采样，通过控制单元实现正负极性高压电位不平衡检测和控制。在整个充电过程中，电源输出的正极性高压与负极性高压的电压偏差在0.05kV～0.09kV之间，充电电源输出±10kV下，正极性电压与负极性电压的电压偏差小于0.1％，偏差较小(电容器充电电压±10.5kV时，电源输出正负极性分别对地端的电压波形如图2所示)。
一体化充电电源在负载电容器整个充电过程中，可通过充电电压电位不平衡特征检测负载充电回路工作状态，当两个电压的绝对值相差大于等于0.2kV时，充电电源自动进入保护模式，停止输出直流高压，用于检测负载电容器充电回路工作状态，避免因负载电容器正极性和负极性电位不平衡，造成电容器损坏。且同时具备过压、过流、短路、开路、过温及电位不平衡6种保护功能，实时对电源工作状态进行监测与保护，避免因负载异常等原因造成电源损坏，提高了电源的鲁棒性和可靠性。
所述控制单元、电压还原单元及信号接收单元3个单元信号共地，与其它各单元信号均隔离；正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元及变压器耦合隔离供电单元5个单元信号共地，与其它各个单元信号均隔离；隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元及设置与显示单元的信号分别隔离，且与其它单元信号隔离。各单元之间通过隔离设计，解决信号与信号之间，高压地、低压地、信号地及控制地之间相互干扰，提高电源的抗电磁干扰能力，满足复杂电磁干扰环境下多台电源并联使用。
本发明一体化充电电源中，全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元及正负高压采样单元原理图如图3所示。由直流侧母线电容、全桥IGBT开关管Q1～Q4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变比为n的高频变压器T、续流二极管D1～D4、高频整流桥D5～D12，R1～R4及C1～C4组成正负高压采样电路及负载储能电容C组成。完成一个开关周期。具体工作过程为：电源通过两组逆变开关Q1、Q4和Q2、Q3交替导通与谐振电容、谐振电感、变压器初级形成谐振回路，将直流母线直流电压转变成高频的交流电压，高频交流电压通过高频变压器升压后，经高频整流硅堆将交流高压变成直流高压，给负载电容器充电。阻容采样电路对电源输出正负极性高压进行采样。
隔离驱动单元由隔离芯片、驱动芯片、电源模块及电阻等器件组成。电源控制电路输出两路+5VPWM信号，PWM信号经SI8620型数字隔离芯片隔离后输出至逆变板，逆变板采用专用隔离驱动芯片SI8233对控制板输出控制信号进行隔离驱动，该芯片电源最大供电电压24V，最大输出信号电流4A，该信号经栅极电阻接至IGBT栅极和发射极之间，使开关管快速导通，通过调节栅极电阻阻值可以改变开关管的驱动电流和开关导通速度，当驱动电压脉冲消失后立刻使开关管栅极与源极之间电压变为0V，确保开关管快速、可靠的关断，使开关管工作在较为理想的开关状态，缩短了开关时间、减小了开关损耗，提高了电源运行效率、可靠性和安全性。
正负电压转换单元原理图如图4所示。由AD652型电压频率转换芯片U1、U2，2MHz晶振T1、T2，电阻器R5～R8、电容器C5、C6组成；其功能是将输入0～±5V的双极性直流电压转换为高频数字信号，转换成设定电压幅度和不同频率的高频数字信号。工作原理为：当正负电压转换单元处于供电状态，一旦有直流信号输入时，直流信号进入压频转换电路，压频转换电路将输入直流电压转换成电压幅度5V、固定频率的数字信号，数字信号经驱动电路后至光纤隔离传输单元。
信号发送单元与信号接收单元原理图如图5所示。由信号驱动电路、信号发送电路、光纤及信号接收电路组成。其中驱动电路由IXDN614SITR驱动器U1组成，信号发送电路由HFBR-1412TZ光纤发射器U2及外围电路组成，信号接收电路由HFBR-2412TZ型光电接收器U3及外围电路组成。工作过程为：双极性电压转换单元输出的高频信号经驱动电路后使光接收器发光，产生光脉冲信号，光脉冲信号通过光纤传输至光接收器，光接收器将光脉冲信号转换为高频信号。
电压还原单元由AD652型频率电压转换芯片U3、晶振T3及外围电阻器、电容器组成。工作过程为：信号接收单元输出的两路高频信号进入电压还原电路，电压还原电路根据输入信号的频率，将两路输入信号转换成0～+5V的直流电压，该电压为电源输出正负极性直流高压的监测信号，监测信号可作为反馈信号直接送至电源控制电路，通过控制电路对反馈信号进行处理可实现电源输出直流高压的精确控制和正负极性电压不平衡检测。
变压器耦合隔离供电单元原理框图如图6所示，由DC/DC模块单元、PWM单元、驱动电路单元、全桥逆变单元、谐振及隔离变压器单元、整流滤波单元、稳压三端①、稳压三端②及电荷泵单元组成。变压器耦合隔离供电电路采用电荷泵、线性稳压及开关电源方式产生所不同的直流电压，为正负电压转换单元及信号发送单元供电，通过隔离变压器实现正负高压采样单元地(高压地)与其它单元地之间的电气隔离。DC/DC模块单元：将输入+24V直流电压转换成+15V1直流电压分别为PWM单元、驱动电路单元、全桥逆变单元供电；PWM单元由SG3525型PWM芯片及外围电阻器、电容器组成，可以产生电压幅值+15V，脉冲宽度8.2μs，频率50kHz，延迟时间1.8μs的两路脉冲信号，该信号经驱动电路后作为全桥逆变开关控制信号使全桥逆变电路中IPD80R280P7型MOSFET开关管导通，与谐振电容器和高频隔离变压器初级形成谐振回路，产生电压幅度15V、谐振频率110kHz交流信号，该信号经高频变压器隔离、升压与整流滤波电路后输出约18V直流电压。稳压三端1由CW7815型稳压三端及外围电阻、电容器组成，将整理滤波单元输出18V直流电压转换为+15V2直流电压。+15V2直流电压为以下三部分供电：1)直接为正负电压转换单元中AD652芯片正电源供电；2)经CW7805型稳压三端2产生+5V2直流电压，为信号发送单元供电；3)经ICL7662型电荷泵产生-15V2直流电压，为正负电压转换单元中AD652芯片负电源供电。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
通过本发明一种用于复杂电磁干扰环境下正负双极性直流高压一体化充电电源，解决了目前直流充电电源存在的问题，减小了电源体积，提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力，满足复杂电磁干扰环境下可靠运行的要求。100多台充电电源同时工作给电容器充电，在储能18.3MJ、单路放电电流最大540kA的能库型脉冲功率装置放电产生的复杂电磁干扰环境下实现可靠稳定运行。
Claims (8)
1.一体化充电电源，其特征在于，所述充电电源由控制单元、隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元、远程控制单元、变压器耦合隔离供电单元及设置与显示单元组成；其连接关系是：控制单元依次与隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元、信号接收单元、电压还原单元连接并组合回路；控制单元还分别与全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、设置与显示单元连接；变压器耦合隔离供电单元与正负电压转换单元和信号发送单元连接；一体化充电电源在负载电容器整个充电过程中，可通过充电电压电位不平衡特征检测负载充电回路工作状态，当两个电压的绝对值相差大于等于0.2kV时，充电电源自动进入保护模式，停止输出直流高压，用于检测负载电容器充电回路工作状态。
2.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，所述控制单元、电压还原单元及信号接收单元3个单元信号共地，与其它各单元信号均隔离；所述正负高压整流单元、正负高压采样单元、正负电压转换单元、信号发送单元及变压器耦合隔离供电单元5个单元信号共地，与其它各个单元信号均隔离；隔离驱动单元、全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元及设置与显示单元的信号分别隔离，且与其它单元信号隔离。
3.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，所述全桥逆变单元、LC谐振及高频升压单元、正负高压整流单元及正负高压采样单元，由直流侧母线电容、全桥IGBT开关管Q1～Q4、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变比为n的高频变压器T、续流二极管D1～D4、高频整流桥D5～D12，R1～R4及C1～C4组成正负高压采样电路及负载储能电容C组成。
4.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，所述隔离驱动单元由隔离芯片、驱动芯片、电源模块及电阻组成。
5.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，所述正负电压转换单元由AD652型电压频率转换芯片U1、U2，2MHz晶振T1、T2，电阻器R5～R8、电容器C5、C6组成；其功能是将输入0～±5V的双极性直流电压转换为高频数字信号，转换成设定电压幅度和不同频率的高频数字信号。
6.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，信号发送单元与信号接收单元由信号驱动电路、信号发送电路、光纤及信号接收电路组成，其中驱动电路由IXDN614SITR驱动器U1组成，信号发送电路由HFBR-1412TZ光纤发射器U2及外围电路组成，信号接收电路由HFBR-2412TZ型光电接收器U3及外围电路组成。
7.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，电压还原单元由AD652型频率电压转换芯片U3、晶振T3及外围电阻器、电容器组成。
8.如权利要求1所述的充电电源，其特征在于，变压器耦合隔离供电单元由DC/DC模块单元、PWM单元、驱动电路单元、全桥逆变单元、谐振及隔离变压器单元、整流滤波单元、稳压三端①、稳压三端②及电荷泵单元组成，变压器耦合隔离供电电路采用电荷泵、线性稳压及开关电源方式产生所不同的直流电压，为正负电压转换单元及信号发送单元供电，通过隔离变压器实现正负高压采样单元地与其它单元地之间的电气隔离。
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