CN115955121A - 一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，包括启动供电电路和辅助绕组供电电路，启动供电电路和所述辅助绕组供电电路为LLC控制芯片供电，n级LLC变换器形成输入串联输出并联结构后与buck‑boost电路级联，LLC变换器为开环，buck‑boost电路将输出电压输入采样电路，采样电路采样后经PWM调节及驱动电路形成反馈闭环控制；本发明实现了超宽输入电压范围的适应性、高电压隔离可靠性、宽电压输入范围辅助电源的高电能转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及水下特种电源技术领域，具体涉及一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源。
背景技术
海洋工程装备位于远离海岸的海底，所需电能需通过海缆从海岸输送到海底，输送距离远，线路阻抗大，为降低线缆损耗，通常采用直流高电压进行送电。海底电源工作时，随负载电流的大小，海缆线路压降在0到数千伏范围变化，导致海底电源的输入端电压宽范围波动。目前海底电源的辅助供电电源存在如下问题：
(1)对宽输入电压范围的调节能力有限。现有方案，通常采用多级反激变换器构成输入串联、输出并联(ISOP)的结构，使各级输入端电压为Vin/n(n为串联的级数)，经过变换得到所需低电压。现有方案所采用的反激变换器为PWM调制方式，在PWM调制中为保障反激变换器的安全，占空比需设计最小值和最大值。然而，目前方案在占空比最小值到最大值范围内，仍无法满足宽输入电压下稳定输出的控制要求，辅助电源在宽输入电压范围的调节能力有限。
(2)高电压隔离要求导致反馈控制部分的器件选型困难。海底电源的输入为高电压，且海底电源属于较难或不可维护类电源，各项参数设计需遵守I类降额设计标准，其中对于电气隔离能力要求较高，需达到最大输入电源的2倍。
辅助电源的输入取电直接取自水下特种电源的输入端，输出24V低压，为水下特种电源主控电路、通信电路、各功率子模块控制、驱动提供低压辅助供电。其可靠性关系到整个水下特种电源系统的可靠工作能力。
为实现输出稳压，需要将输出电压反馈回初级电路参与控制，传统的光耦、隔离放大器、电压霍尔器件隔离电压等级均无法满足水下特种电源的隔离电压要求，多级串联提高电压隔离能力的方案会导致电路复杂，信号带宽变窄，响应延时增大。
还有方案通过变压器辅助绕组来测量输出电压，但是辅助绕组的负载固定，反馈电压不会随次级输出绕组的负载轻重变化而变化，因此，该反馈方案虽然解决了电隔离问题，但反馈信号只能间接反馈输出电压大小，稳压精度很低。
(3)辅助电源效率优化难度大，海缆输入电压越高，效率越低，开关管发热严重，影响系统可靠性。现有技术采用反激或正激电路，调压范围较宽，但任存在以下问题：变换器占空比折中选取难度大，对超宽变化范围的输入电压仍难适应；输入电压低时，电源效率较高，器件电应力较小，但当输入电压升高，开关管的电压尖峰应力增大，开关损耗也呈平方增大，电源效率迅速降低，发热严重，对水下特种电源长期可靠稳定工作构成挑战。
(4)多级串联，由于电路参数差异性不可避免，存在功率器件电压应力不均衡问题，影响系统可靠性的问题。多级电路串联工作，由于参数差异性，各模块输入端电容电压不可避免出现不均压。传统方案靠串联电容实现自均压，缺乏主动均压措施，均压精度较低，影响系统可靠性。
现有技术CN114825971A公开了《适用于海底电源的可扩展辅助电源系统及其控制方法》，其采用N个高压侧辅助电源构成可扩展辅助电源供能系统，每个高压侧辅助与一个功率模块单元连接，每个高压侧辅助电源与一个输入电容并联。其仍存在以下问题：
(1)初、次级之间有反馈电路，难以承受直流高压，器件选型难度极大；
(2)反馈控制的采样依赖于变压器辅助绕组，辅助绕组的负载为固定的电阻，其反馈电压受负载变化的影响很大，导致输出电压的稳压精度较低；
(3)因为每个高压侧辅助电源取电自功率模块的输入电容，对串联功率模块的输入均压控制有影响，特别是主回路没有启动时，各辅助电源系统工作会导致输入端输入不均压现象，需要增加额外的均压控制，系统复杂度提高。
现有技术CN113809909A公开了《一种直流高压开关电源的启动电路》，其采用多个反激变换器初级串联，次级并联的方式实现高电压变比，将输入宽范围波动的高压转变为低压为控制电路供电。其仍存在以下问题：
(1)反激变换器为PWM调节，有较宽的调压范围，但其占空比变化范围一般小于50％，其调压范围仍然难以满足水下特种电源的要求；
(2)反馈采用辅助绕组端电压为反馈，是一种间接反馈法，输出电压精度难保障；
(3)反激电路开关管截止时，需要承受输出电压通过变压器反射回初级的电压、初级母线电压以及振荡尖峰电压三者的叠加，功率开关管承受的电压应力很大，特别是输入电压较高时，导致功率器件选型难度大，或者不得不增加串联级数，同时，开关器件在高漏源电压状态下导通，导通损耗很大，严重影响开关管寿命；
(4)多模块串联的均压效果取决于器件的一致性，缺乏主动均压措施。
发明内容
为了解决上述水下特种电源存在的问题，本发明设计了一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，实现了超宽输入电压范围的适应性、高电压隔离可靠性、宽电压输入范围辅助电源的高电能转换效率，具体技术方案如下：
一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，包括启动供电电路和辅助绕组供电电路，所述启动供电电路和所述辅助绕组供电电路为LLC控制芯片供电，n级LLC变换器形成输入串联输出并联结构后与buck-boost电路串联，所述buck-boost电路将输出电压输入采样电路，采样电路采样后经PWM调节及驱动电路形成反馈闭环控制。
进一步的，所述n级LLC变换器包括输入电容C1至Cn、脉冲变压器1至脉冲变压器n、开关管Q1-1至Qn-2、谐振腔1至谐振腔n、高电压隔离变压器主绕组T1至Tn、整流电路1至整流电路n。
进一步的，海底电源在启动前，通过启动供电电路中的高压线性取电电路取电向LLC控制芯片供电。
进一步的，当海底电源完成启动后，由辅助绕组供电电路取电经整流后向LLC控制芯片供电。
进一步的，所述n级LLC变换器构成的输入串联输出并联的结构可将输入电压均分为1/n作为每级LLC变换器的输入电压，每级LLC变换器输出级同且随输入电压线性变化的低电压后，送入后级buck-boost电路将线性变化的低电压变换为恒定的直流低电压。
进一步的，所述采样电路通过采样后级buck-boost电路的输出电压经PWM调节及驱动电路调节其PWM控制信号占空比，实现海底电源整机的反馈闭环控制。
优选的，所述脉冲变压器1至脉冲变压器n的电气隔离等级大于最大输入电压的2倍。
优选的，所述高电压隔离变压器的电气隔离等级大于最大输入电压的2倍。
优选的，所述开关管Q1-1、Q2-1至Qn-1的控制信号级同，所述开关管Q1-2、Q2-2至Qn-2的控制信号级同，两控制信号为占空比50％的PFM控制信号，且两控制信号互补对称。
优选的，所述辅助绕组供电电路中设置有辅助绕组1至辅助绕组n，高电压隔离变压器包括主绕组T1至Tn和辅助绕组1至辅助绕组n。
与现有技术级比，本发明的有益效果是：
本发明一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，由两级电路构成。第一级实现降压和高隔离，第二级实现宽增益调节和输出稳压。
第一级采用LLC谐振变换方式。电路工作在谐振频率点，软开关状态良好，具有器件电应力小，转换效率高的优点，同时因工作在开环状态，不需要反馈，隔离电压由高电压隔离变压器承担，高电压隔离变压器采用多槽骨架，初、次级绕组分开绕制，很容易达到高隔离电压要求；多个LLC变换器采用输入串联，输出并联结构(ISOP)，实现输入高压的承受能力。每个LLC变换器工作在同一工作频率下，具备输入自动均压能力。
第二级采用buck-boost升降压电路。由于第一级实现了高隔离，第二级电路采用非隔离的buck-boost升降压电路。buck-boost升降压电路具有超宽增益调节范围；由于第一级实现了降压，第二级的输入电压降到100V以内，可以采用低导通电阻的MOSFET器件和常规的反馈回路进行设计。低导通电阻的MOSFET器件开关频率高，开关损耗和导通损耗小，电能转换效率高。第一级和第二级电路均具备高的电能转换效率，整机保持高效率；采用常规反馈回路(非隔离，采用电阻分压反馈)，响应速度快，成本低。
附图说明
图1为本发明水下特种变换器辅助供电电源的拓补结构示意图。
图2为本发明开关管的脉冲控制信号示意图。
图3为本发明高电压隔离变压器的内部结构示意图。
图中：1、buck-boost电路；2、采样电路；3、PWM调节及驱动电路；4、辅助绕组供电电路；5、启动供电电路；6、LLC控制芯片。
具体实施方式
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。
本发明提供的一种实施例如下:
参见图1，本发明公开了一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，包括启动供电电路5和辅助绕组供电电路4，启动供电电路5和辅助绕组供电电路4经LLC控制芯片6与n级LLC变换器串联，n级LLC变换器形成输入串联输出并联结构(ISOP)后与buck-boost电路1串联，buck-boost电路1将输出电压输入采样电路2，采样电路2采样后经PWM调节及驱动电路3形成反馈闭环控制。
n级LLC变换器包括输入电容C1至Cn、脉冲变压器1至脉冲变压器n、开关管Q1-1至Qn-2、谐振腔1至谐振腔n、高电压隔离变压器主绕组T1至Tn、整流电路1至整流电路n。所述n级LLC变换器构成的输入串联输出并联的结构可将输入电压均分为1/n作为每级LLC变换器的输入电压，每级LLC变换器输出级同且随输入电压线性变化的低电压后，送入后级buck-boost电路1将线性变化的低电压变换为恒定的直流低电压，采样电路2通过采样后级buck-boost电路1的输出电压经PWM调节及驱动电路3调节其PWM控制信号占空比，实现海底电源整机的反馈闭环控制。
海底电源在启动前，通过启动供电电路5中的高压线性取电电路取电向LLC控制芯片6供电；当海底电源完成启动后，由辅助绕组供电电路4取电经整流后向LLC控制芯片6供电。辅助绕组供电电路4中设置有辅助绕组1至辅助绕组n，高电压隔离变压器包括主绕组T1至Tn和辅助绕组1至辅助绕组n，一个主绕组和一个辅助绕组构成一个高电压隔离变压器。脉冲变压器1至脉冲变压器n和高电压隔离变压器的电气隔离等级均大于最大输入电压的2倍。
参见图2，开关管Q1-1、Q2-1至Qn-1的控制信号级同，开关管Q1-2、Q2-2至Qn-2的控制信号级同，两控制信号为占空比50％的PFM控制信号，且两控制信号互补对称。
参见图3，本发明高电压隔离变压器采用多槽骨架分别绕制各绕组的方案，变压器初级电压较高，采用三层高压绝缘线绕制并在各层间灌封绝缘材料；次级绕组、辅助绕组、初级绕组间各添加一个空槽，以提高电气隔离等级。
本发明完美解决现有技术中存在的问题：
(1)本发明的增益调节由非隔离buck-boost电路实现，输入电压低于输出电压时工作在升压模式(boost)，输入高于输出时工作在降压模式(buck)，增益调节范围足够大。
(2)本发明采用两次(两级)电压变换的方式，前级ISOP结构的LLC谐振变换电路工作在开环状态，不需要反馈电路，高电压隔离由多槽骨架绕制的变压器可以轻易实现。所需的反馈调节由第二级buck-boost电路实现，无需进行电气隔离，可以选用常规反馈控制电路的器件。
(3)本发明LLC变换器工作在该电路效率最高的谐振频率点，软开关处于最佳状态，因此电压应力很小，损耗很小。LLC谐振变换的软开关为零电压软开关，在本应用领域(高电压、小电流)非常时候，导通为零电压导通，关断电流很小，因此效率很高，器件无额外的电压、电流应力。
第二级buck-boost电路因工作电压低，可以选用低内阻MOSFET，开关损耗很小，也可以保证高效率。两级串联仍可实现95％以上的转换效率。且效率与输入高压的变换关联度小。传统反激拓扑效率一般在85％一下，且随输入高压的升高效率快速降低。
(4)本发明第一级LLC变换器为输入串联输出并联模式，桥臂开关器件统一由LLC控制芯片6发出驱动信号，所有LLC变换器开关器件工作在同一个频率，具有级同的死区时间，只要谐振器参数一致性误差较小，输入端电容可以帮助各串联模块实现自动均压。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，包括启动供电电路和辅助绕组供电电路，所述启动供电电路和所述辅助绕组供电电路为LLC控制芯片供电，n级LLC变换器形成输入串联输出并联结构后与buck-boost电路级联，所述LLC变换器为开环，所述buck-boost电路将输出电压输入采样电路，采样电路采样后经PWM调节及驱动电路形成反馈闭环控。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述n级LLC变换器包括输入电容C1至Cn、脉冲变压器1至脉冲变压器n、开关管Q1-1至Qn-2、谐振腔1至谐振腔n、高电压隔离变压器主绕组T1至Tn、整流电路1至整流电路n。
3.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，海底电源在启动前，通过启动供电电路中的高压线性取电电路取电向LLC控制芯片供电。
4.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，当海底电源完成启动后，由辅助绕组供电电路取电经整流后向LLC控制芯片供电。
5.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述n级LLC变换器构成的输入串联输出并联的结构可将输入电压均分为1/n作为每级LLC变换器的输入电压，每级LLC变换器输出相同且随输入电压线性变化的低电压后，送入后级buck-boost电路将线性变化的低电压变换为恒定的直流低电压。
6.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述采样电路通过采样后级buck-boost电路的输出电压经PWM调节及驱动电路调节其PWM控制信号占空比，实现海底电源整机的反馈闭环控制。
7.根据权利要求2所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述脉冲变压器1至脉冲变压器n的电气隔离等级大于最大输入电压的2倍。
8.根据权利要求2所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述高电压隔离变压器的电气隔离等级大于最大输入电压的2倍。
9.根据权利要求2所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述开关管Q1-1、Q2-1至Qn-1的控制信号级同，所述开关管Q1-2、Q2-2至Qn-2的控制信号级同，两控制信号为占空比50％的PFM控制信号，且两控制信号互补对称。
10.根据权利要求1所述的一种宽输入高电气隔离水下特种变换器辅助供电电源，其特征在于，所述辅助绕组供电电路中设置有辅助绕组1至辅助绕组n，高电压隔离变压器包括主绕组T1至Tn和辅助绕组1至辅助绕组n。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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