CN202550888U - 1500v输入-110v输出的降压变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种电力电子技术领域的1500V输入-110V输出的降压变换器，包括分压电路、开关电路和整流电路，分压电路的输出端通过开关电路与整流电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路分为两部分分别独立处理，两部分输出端并联。每个部分的前级为两个降压变压器串联，两端与开关电路的输出端相连，中级为一个全波整流器，整流电路的后级为一个电容滤波电路，输入端分别连接全波整流器的输出端。本实用新型输入电压等级高，输出直流电压稳定，电路结构简单，开关应力小，变压器设计简化，电源利用率高，供电质量高，稳定性和安全系数较高，成本低，适合地铁机车等高压高速的应用场合。

Description

1500V输入-110V输出的降压变换器

技术领域

本实用新型涉及的是一种电力电子技术领域的降压变换器，具体是一种1500V输入-110V输出的双半桥逆变直流降压电路。

背景技术

应用于电子设备和控制电路的110V低压直流电源是地铁机车低压配电系统的重要组成部分。随着我国地铁动车高铁技术的迅猛发展，对于低压直流电源的需求越来越旺盛，要求也越来越高。体积小、重量轻、稳定性好、安全系数高、供电质量好、超高电压输入的低压电源符合高速列车的发展要求，具有良好的应用前景。

1500V输入-110V输出的双半桥逆变直流降压电路具体包括两个电压变换环节，一个是高压直流电输入-低压交流电输出环节，另一个是低压交流电输入-低压直流电输出环节。

为了完成高压直流电输入-低压交流电输出环节，可以采用单端正激电路和桥式逆变电路。单端正激电路将输入的高压直流电压斩波变换为高压脉冲电压，该电压送入降压变压器耦合至副边，电路结构简单，控制容易，成本较低，但是单个功率器件承受的电压等级较大，电源利用率较低；桥式逆变电路结构经典，控制方法成熟，功能齐全，性能高，但是其成本较高，输入电压等级较低，无法应用于高压大功率的场合。

经过对现有适合高压直流电压输入-低压直流电压输出应用场合的降压变换器技术的检索发现，“高压输入低压大电流输出模块电源的设计”(电力电子技术，2009年第5期43卷)和“高压输入低压多路输出的两级式变换器”(电工技术学报，2010年第1期第25卷)中描述的单相-单相交-直变换器的结构复杂，设计难度大，输入电压低，功能和性能较差，很难应用于地铁机车等高压场合；中国专利号：02224999.0，专利名称：从高压线上获取能量的低压电源，描述的降压变换器采用了电流互感器和蓄电池，成本较高，且其拓扑和工作原理都极其复杂，应用难度非常高。

为了完成低压交流电压输入-低压直流电压输出，采用全波整流电路，电源利用率高，每个功率器件仅提供输出电流的一半，输出直流电流波幅小，供电质量高。

综上所述，现有的高压输入-低压输出电源的输入电压等级低，结构和控制比较复杂，而输入电压较高的电源成本高，拓扑比较复杂，输出电压稳定性较差，均不适用于地铁机车等高速和高压的场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、控制简便、成本低廉、输入电压等级高、供电质量高的降压变换器已成为本领域技术人员的当务之急。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述不足，提供一种1500V输入-110V输出的降压变换器，使其实现DC/DC变换，具有结构简单、控制简便、成本低廉、供电质量高等优点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括依次级联的分压电路、开关电路和整流电路，分压电路的输出端通过开关电路与整流电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路分为两部分分别独立处理，每个部分的前级为一个降压变压器，两端与开关电路的输出端相连，中级为一个全波整流器，两端与降压变压器的输出端相连，整流电路的后级为一个电容滤波电路，两个部分的滤波电路输出端并联，输入端分别连接全波整流器的输出端。

所述的分压电路为电容分压电路：四个电解电容依次串联，两端分别与输入电源的正极和负极相连，其中第一与第二电容为一组，第三与第四电容为一组，将输入电压均分，这两部分电压独立使用，其中第一电容和第二电容的连接点为第一节点O1，第二电容和第三电容的连接点为第二节点O2，第三电容和第四电容的连接点为第三节点O3；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第四电阻分别为第一至第四电容均压；第五电阻和第六电阻串联，两端分别与输入电源正极和第二节点O2相连，为第一电容和第二电容均压；第七电阻和第八电阻串联，两端分别与第二节点O2和输入电源负极相连，为第三电容和第四电容均压。

所述的开关电路的结构为四个逆导开关串联，串联后两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第二节点O2，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第四节点O4，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第五节点O5；所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关和第三逆导开关驱动信号相同，第二逆导开关和第四逆导开关驱动信号相同；

所述的整流电路可划分为结构相同的两部分，称为第一部分和第二部分，分别独立处理二分之一的输入电压，各个部分均包括一个子整流电路，两部分的子整流电路的输出端并联，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和滤波电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和一个副边绕组，其中副边绕组与全波整流器相连，第一部分的第一降压变压器与第二降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第一节点O1和第四节点O4相连，第二部分的第三降压变压器与第四降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第三节点O3和第五节点O5相连。由于两个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法：第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第六节点O6相连，第二二极管的正极与第二降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第六节点O6相连，第一降压变压器的副边绕组和第二降压变压器的副边绕组的连接点为第八节点O8，第三降压变压器的副边绕组和第四降压变压器的副边绕组的连接点为第九节点O9，第一电感的一端与第八节点O8相连，另外一端与第七节点O7相连；第一、第二、第三、第四二极管的负极与第六节点O6相连，第一与第二电感的右端与第七节点O7相连；所述的滤波电路为电容滤波电路，第五电容和第九电阻并联，两端分别与第六节点O6和第七节点O7连接。滤波电路的输出端输出直流电压。

采用上述技术方案，本实用新型结合分压电路和开关电路将高电压转换为低电压进行处理，制定了高压输入-低压输出的降压变换器，分压电路和开关电路结构简单，控制方便，可将输入高电压降压处理，开关应力小，变压器设计简化，全波整流器电源利用率高，输出电压稳定性好，安全系数高，能够适应地铁机车高速度高电压的应用场合。本实用新型具有设计结构新颖、通用性强、成本低等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供一种1500V输入-110V输出的降压变换器，包括依次级联的分压电路1、开关电路2和整流电路3，分压电路1的输出端通过开关电路2与整流电路3的输入端相连。

所述的分压电路1为电容分压电路：四个电解电容E1～E4依次串联，两端分别与输入电源正极P1和负极N2相连，其中第一与第二电容E1～E2为一组，第三与第四电容E3～E4为一组，将输入电压均分，这两部分电压独立使用，其中第一电容E1和第二电容E2的连接点为O1，第二电容E2和第三电容E3的连接点为O2，第三电容E3和第四电容E4的连接点为O3；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第四电阻R1～R4分别为第一至第四电容E1～E4均压；第五电阻R5和第六电阻R6串联，两端分别与输入电源正极P1和节点O2相连，为第一电容E1和第二电容E2均压；第七电阻R7和第八电阻R8串联，两端分别与节点O2和输入电源负极N2相连，为第三电容E3和第四电容E4均压。

所述的电容E1～E4为电解电容450V/680uF。

所述的电阻R1～R8为50kΩ，1％，5W。

所述的开关电路的结构为四个逆导开关S1～S4串联，两端分别与输入电源正极P1和负极N2相连，其中第二逆导开关S2和第三逆导开关S3的连接点为O2，第一逆导开关S1和第二逆导开关S2的连接点为O4，第三逆导开关S3和第四逆导开关S4的连接点为O5；所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关S1和第三逆导开关S3驱动信号相同，第二逆导开关S2和第四逆导开关S4驱动信号相同；

所述的逆导开关S1～S4为功率IGBT 1200V/75A/100℃，逆导开关S1～S4的驱动脉冲根据开关电路所需的输出波形进行调节，开关频率为10kHz；

所述的整流电路3可划分为结构相同的两部分，称为第一部分和第二部分，分别独立处理二分之一的输入电压，各个部分均包括一个子整流电路，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和滤波电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和一个副边绕组，其中副边绕组与全波整流器相连，第一部分的第一和第二降压变压器T1、T2的原边绕组串联，两端分别与节点O1和O4相连，第二部分的第三和第四降压变压器T3、T4的原边绕组两端分别与节点O3和O5相连。由于两个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法：第一二极管FRD1的正极与第一降压变压器T1的上副边绕组的正极相连，负极与节点O6相连，第二二极管FRD2的正极与第二降压变压器T2的上副边绕组的负极相连，负极与节点O6相连，第一降压变压器T1的副边绕组和第二降压变压器T2的副边绕组的连接点为节点O8，第三降压变压器T3的副边绕组和第四降压变压器T4的副边绕组的连接点为节点O9第一电感L1的一端与节点O8相连，另外一端与节点O7相连。第一、第二、第三、第四二极管FRD1、FRD2、FRD3、FRD4的负极与节点O6相连，第一与第二电感L1～L2的右端与节点O7相连。所述的滤波电路为电容滤波电路，第五电容E5和第九电阻R9并联，两端分别与节点O6和节点O7连接。滤波电路的输出端输出直流电压。

所述的变压器T1、T2、T3、T4为降压型，变比为5∶1，采用多个变压器初级串联以提升耐压能力。

所述的二极管FRD1～FRD4为反向快速恢复型600V/20A/100℃，5只并联。

所述的电感L1、L2为非晶体材料，感值为500uH。

所述的电容E5、E6为电解电容680μF/450V。

所述的电阻R9、R10为5kΩ，5％，5W。

本实施例中，输入交流电压为1500V，输出直流电压为110V。

本实施例通过以下方式进行工作：分压电路1将高压直流输入电压平均分为上下两部分，滤波电容使得二等份输入电压平稳光滑，均压电阻保证二等份输入电压稳定均衡，开关电路2受特定的脉冲信号驱动，两部分输入电压分别独立进行处理，可将高压直流输入电压变成幅值仅为输入电压二分之一大小的交变电压，大大减少了开关应力，此过程中两部分对应开关的动作保持一致，每部分同一时刻只能有一个开关导通，每部分电路共有2种开关状态：以第一部分为例，当第一逆导开关导通时输出电压为输入电压的二分之一，第一电容供电。当第二逆导开关导通时输出电压为输入电压的二分之一，第二电容供电。对于每部分电路，交替等占空比地选择状态1和2产生合适的脉冲控制信号分别驱动四个逆导开关，可将输入高电压降压后送入变压器进行处理。开关电路2输出的交流电压送入串联降压变压器，并耦合至副边，这样，单个变压器输入端电压减小，大大简化了变压器的设计。四个降压变压器输出低压交流电压施加到全波整流器和滤波电路，全波整流器对低压交流电进行整流和滤波且输出端并联产生低压大电流输出。

本实用新型采用电容分压电路和开关电路，将输入高电压降低为原来的二分之一进行处理，变压器串联结构进一步分压，实现由高压直流电源变换为低压交流电源，再采用全波整流器实现低压交流电压-低压直流输出，且输出端并联，可获得低压大电流输出。该电路结构简单，设计新颖，巧妙地将大电压转化为小电压进行处理，开关应力大大减小，变压器的设计简化，成本下降，采用全波整流器提高了电源利用率，保证了供电质量，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的降压变换器方案的不足之处包括：输入电压等级太低，难以做到大功率化，电路稳定性差，效率较低，结构复杂，控制繁琐，不易实现。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种1500V输入-110V输出的降压变换器，包括：分压电路、开关电路和整流电路，其中：分压电路的输出端通过开关电路与整流电路的输入端相连；其特征在于：

所述的分压电路为电容分压电路：四个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一与第二电容为一组，第三与第四电容为一组，其中第一电容和第二电容的连接点为第一节点(O1)，第二电容和第三电容的连接点为第二节点(O2)，第三电容和第四电容的连接点为第三节点(O3)；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第四电阻分别为第一至第四电容均压；第五电阻和第六电阻串联，两端分别与输入电源正极和第二节点(O2)相连，为第一电容和第二电容均压；第七电阻和第八电阻串联，两端分别与第二节点(O2)和输入电源负极相连，为第三电容和第四电容均压；

所述的开关电路的结构为四个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第二节点(O2)，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第四节点(O4)，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第五节点(O5)；所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且第一逆导开关和第三逆导开关驱动信号相同，第二逆导开关和第四逆导开关驱动信号相同；

所述的整流电路包括结构相同的两部分，这两部分分别独立处理二分之一的输入电压，各个部分均包括一个子整流电路，两个子整流器的输出端并联，每个子整流电路具体包括：降压变压器、全波整流器和滤波电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和一个副边绕组，其中副边绕组与全波整流器相连，第一部分的第一和第二降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第一节点(O1)和第四节点(O4)相连，第二部分的降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第三节点(O3)和第五节点(O5)相连。

2.根据权利要求1所述的1500V输入-110V输出的降压变换器，其特征是，所述子整流电路的电路结构完全相同，具体连接：第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第六节点(O6)相连，第二二极管的正极与第二降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第六节点(O6)相连，第一降压变压器的副边绕组和第二降压变压器的副边绕组的连接点为第八节点(O8)，第三降压变压器的副边绕组和第四降压变压器的副边绕组的连接点为第九节点(O9)，第一电感的一端与第七节点(O7)另外一端与第八节点(O8)相连；第一、第二、第三、第四二极管的负极与第六节点(O6)相连，第一与第二电感的右端与第七节点(O7)相连。

3.根据权利要求1或2所述的1500V输入-110V输出的降压变换器，其特征是，所述的滤波电路为电容滤波电路，第五电容和第九电阻并联，两端分别与第六节点(O6)和第七节点(O7)连接，第六电容和第十电阻并联，两端分别与第六节点(O6)和第七节点(O7)连接。

4.根据权利要求3所述的1500V输入-110V输出的降压变换器，其特征是，所述的滤波电路的输出端输出直流电压。

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