CN202602538U - 开关电源和电力机车 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种开关电源和电力机车，该包括开关电源控制单元、直流降压单元和全桥降压单元，其中，控制单元分别与直流降压单元和全桥降压单元相连；直流降压单元的输入端用于与直流电压源相连；全桥降压单元的输出端用于与第一用电设备相连。该开关电源输入电压的等级可以为几千伏的直流电压，与现有开关电源只能输入几百伏等级的电压相比，提高了输入电压的等级，可适用于大功率的电力系统中。

Description

开关电源和电力机车

技术领域

本实用新型涉及电路结构技术，尤其涉及一种开关电源和电力机车。

背景技术

开关电源是利用现代电力电子技术，通过控制其中开关管导通和关断的时间比率(即占空比)，从而控制输入电压与输出电压的比例，维持稳定输出电压的一种电源。

现有的开关电源，受其中采用的开关管导通和关断频率的限制，主要应用于低电压场合，其输入电压通常为几百伏，输出电压为几十伏，其输入电压较低，不能应用于大功率的电力系统中，例如，铁路或城市轨道交通的电力系统中电网的输入电压通常为几千伏，现有的开关电源因其输入电压较低不能适用该种电力系统的应用需求。

实用新型内容

本实用新型的第一个方面是提供一种开关电源，以提高开关电源输入电压的等级。

该开关电源，包括：

控制单元，分别与直流降压单元和全桥降压单元相连，用于根据预设参数生成第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号；

直流降压单元，其输入端用于与直流电压源相连，其输出端与全桥降压单元的输入端相连，用于根据所述第一脉冲控制信号将直流电压源的电压降低第一设定倍数后输出；

全桥降压单元，其输出端用于与第一用电设备相连，用于所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压降低第二设定倍数后输出，以作为第一用电设备的供电电压源。

如上所述的开关电源，其中，

所述控制单元还用于根据预设参数生成第三脉冲控制信号，该开关电源还包括：

逆变单元，与所述控制单元相连，且所述逆变单元的输入端与所述直流降压单元的输出端相连，用于根据所述第三脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压变换成设定幅值的交流电压后输出，以作为第二用电设备的供电电压源。

如上所述的开关电源，其中，所述全桥降压单元包括：

斩波器，其输入端与直流降压单元的输出端相连，用于根据所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压变换成交流电压后输出；

变压器，其一次绕组接线端子与所述斩波器的输出端相连，用于将所述斩波器输出的交流电压降低所述第二设定倍数后输出；

全波整流子单元，分别与所述变压器的二次绕组接线端子和第一用电设备相连，用于将所述变压器输出的交流电压变化变化成直流电压后输出，以作为第一用电设备的供电电压源。

如上所述的开关电源，其中，所述控制单元包括：

参数设定子单元，用于设定所述预设参数；

通信接口子单元，与所述参数设定子单元相连，用于根据设定通信协议对所述预设参数进行格式转换以发送给处理子单元；

处理子单元，与所述通信接口子单元相连，用于根据所述预设参数生成控制指令；

脉冲驱动子单元，与所述处理子单元相连，用于根据所述控制指令生成所述第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和第三脉冲控制信号。

如上所述的开关电源，其中，还包括：

第一电压传感器，与所述直流降压单元的输入端相连，用于检测所述直流降压单元输入端的电压以生成第一电压值检测信号；

第二电压传感器，与所述直流降压单元的输出端相连，用于检测所述直流降压单元输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

第三电压传感器，与所述全桥降压单元的输出端相连，用于检测所述全桥降压单元输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

信号调理单元，分别与所述第一电压传感器、第二电压传感器和第三电压传感器相连，用于将接收到的各电压值检测信号转换成设定幅值范围内的各模拟电压信号；

参数调整单元，与所述信号调理单元相连，用于根据所述各模拟电压信号调整所述预设参数以发送给控制单元，以供控制单元根据调整后的所述预设参数生成第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和第三脉冲控制信号。

本实用新型的另一个方面还提供一种电力机车，包括第一用电设备，还包括本实用新型提供的开关电源，所述开关电源中直流降压单元的输入端与所述第一用电设备相连。

如上所述的电力机车，其中，该电力机车还包括第二用电设备，所述开关电源还包括逆变单元，所述逆变单元的输出端与所述第二用电设备相连。

本实用新型提供的开关电源首先通过直流降压单元的初级降压后，将较高等级的几千伏直流电流电压降低至几百伏，然后再经过全桥降压单元进行二级降压，最后可输出几十伏的直流电压，以为直流用电设备提供稳定的电压源，该开关电源输入电压的等级可以为几千伏的直流电压，与现有开关电源只能输入几百伏等级的电压相比，提高了输入电压的等级，可适用于大功率的电力系统中。

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的开关电源的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例所提供的开关电源的结构示意图；

图3为本实用新型又一实施例所提供的开关电源的结构示意图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了一种开关电源，图1为本实用新型实施例所提供的开关电源的结构示意图，如图1所示，该开关电源具体包括控制单元10、直流降压单元11和全桥降压单元12。

控制单元10，分别与直流降压单元11和全桥降压单元12相连，用于根据预设参数生成第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号。

该预设参数可以包括第一设定倍数的数值、第二设定倍数的数值等，或者是，直流电压源的电压值，直流降压单元输出电压的电压值、全桥降压单元最后输出电压的电压值等，控制单元可根据该预设参数生成控制信号，该控制信号包括第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号，其作用是控制直流降压单元和全桥降压单元的工作状态，直流降压单元和全桥降压单元在脉冲控制信号作用在工作，以完成各自的降压作用。

直流降压单元11，其输入端用于与直流电压源20相连，其输出端与全桥降压单元12的输入端相连，用于根据所述第一脉冲控制信号将直流电压源20的电压降低第一设定倍数后输出。

直流电压源通常为取自电网的较高等级的电压，例如，通常为几千伏以上的电压，直流降压单元作用是降低直流电压源的电压等级，对直流电压源的电压进行初级降压。

该直流降压单元的典型电路可以采用现有的降压式变换电路(俗称Buck电路)实现，该种电路为由晶体管、电感、电容和电阻等电子元器件组成的电路，可实现直流-直流的电压变换，第一脉冲控制信号为控制直流降压单元中各晶体管导通或关断的信号，直流降压单元根据第一脉冲控制信号，可对直流电压源的电压进行初级降压，使输出电压小于输入电压，将输入电压降低第一设定倍数后输出，该第一设定倍数受直流降压单元自身的电路结构的限制，通常直流降压单元可将上千伏等级的电压降低至几百伏。

当然，该直流降压单元也可采用其他形式的电路，不限于本实施例所述。

全桥降压单元12，其输出端用于与第一用电设备21相连，用于所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元11输出的直流电压降低第二设定倍数后输出，以作为第一用电设备21的供电电压源。

全桥降压单元作为二级降压单元，可根据第二脉冲控制信号将直流降压单元输出的直流电压再次降低第二设定倍数后输出，经过全桥降压单元后最后输出的电压仍然为直流电压，该第二设定倍数受全桥降压单元自身的电路结构的限制，可将几百伏等级的电压降低至几十伏，该电压可直接作为电压源，以为第一用电设备供电。第一用电设备可以包括各种设备，例如，各种计算机、处理器等控制设备，蓄电池的充电电源等。

全桥降压单元可以为由整流电路、逆变电路和变压器等组成的电路结构，例如，可通过整流电路将直流电压变化成交流电压，在通过变压器进行降压，然后再通过逆变电路将变压器输出的交流电压变换成直流电压后作为最后的输出电压。

由上述技术方案可知，该开关电源首先通过直流降压单元的初级降压后，将较高等级的几千伏直流电流电压降低至几百伏，然后再经过全桥降压单元进行二级降压，最后可输出几十伏的直流电压，以为直流用电设备提供稳定的电压源，该开关电源输入电压的等级可以为几千伏的直流电压，与现有开关电源只能输入几百伏等级的电压相比，提高了输入电压的等级，可适用于大功率的电力系统中。

图2为本实用新型另一实施例所提供的开关电源的结构示意图，在上述实施例的基础上，如图2所示，进一步的，该开关电源中控制单元10还用于根据预设参数生成第三脉冲控制信号，该开关电源还包括逆变单元13。

逆变单元13，与所述控制单元10相连，且所述逆变单元13的输入端与所述直流降压单元11的输出端相连，用于根据所述第三脉冲控制信号将所述直流降压单元11输出的直流电压变换成设定幅值的交流电压后输出，以作为第二用电设备22的供电电压源。

本实施例中，该预设参数可以包括直流降压单元输出电压的电压值、逆变单元最后输出电压的电压值等，或者是逆变单元输出电压与输入电压的比值等。

控制单元还可根据该预设参数生成第三脉冲控制信号，其作用是控制逆变单元的工作状态，逆变单元在第三脉冲控制信号作用下工作，以完成其电压变换作用。

逆变单元可采用由门极可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，简称GTO)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)或者是其他可控晶体管组成的逆变电路实现，第三脉冲控制信号为控制逆变单元中各开关管导通或关断的信号，逆变单元根据第三脉冲控制信号，可将直流降压单元输出的直流电压变换成交流电压，并且，可改变输入电压的电压值，最后输出所需设定幅值的电压。

图3为本实用新型又一实施例所提供的开关电源的结构示意图，如图3所示，上述开关电源中的全桥降压单元12具体的可以包括斩波器121、变压器122和全波整流子单元123。

斩波器121，其输入端与直流降压单元的11输出端相连，用于根据所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元11输出的直流电压变换成交流电压后输出。

斩波器为由GTO、IGBT或者是其他可控晶体管组成的电路，第二脉冲控制信号为控制各晶体管导通或关断的信号，斩波器根据该第二脉冲控制信号，可将直流降压单元输出的直流电压变换成交流电压后输出。

变压器122，其一次绕组接线端子与所述斩波器121的输出端相连，用于将所述斩波器121输出的交流电压降低所述第二设定倍数后输出。

变压器是利用电磁感应原理，对输入电压和输出电压的大小进行变换的装置，变压器主要包括一次绕组和二次绕组，一次绕组用于接收电能，二次绕组用于送出电能，最后输出经过变换后的电压。

变压器可为实现升压或降压作用，本实施例中的变压器为降压变压器，其一次绕组接线端子与斩波器的输出端相连，其二次绕组接线端子与全波整流子单元相连，其输出电压小于输入电压，将斩波器输出的交流电压降低第二设定倍数后输出，该第二设定倍数即为一绕绕组和二次绕组的匝数比。

全波整流子单元123，分别与所述变压器122的二次绕组接线端子和第一用电设备相连21，用于将所述变压器122输出的交流电压变化成直流电压后输出，以作为第一用电设备21的供电电压源。

全波整流子单元通常为由整流二极管、电容、电阻和电感等组成的整流电路，可将变压器输出的交流电压变化成直流电压，以作为第一用电设备的供电电压源。

本实施例只是提供全桥降压单元的一种具体电路结构，在实际应中，还可以根据需要采用已有的其他形式的硬件电路实现，只要能够实现本实施例所述的功能即可，不限于本实施例所述电路结构。

基于上述的实施例，如图3所示，该开关电源中的控制单元10可具体包括参数设定子单元101、通信接口子单元102、处理子单元103和脉冲驱动子单元104。

参数设定子单元101，用于设定所述预设参数。

参数设定子单元可以为一计算机或手持式控制器等可以输入数据的设备，用户可根据需要设定预设参数。

通信接口子单元102，与所述参数设定子单元101相连，用于根据设定通信协议对所述预设参数进行格式转换以发送给处理子单元。

通信接口子单元为根据通信协议对预设参数进行格式转换的通信接口，参数设定子单元与处理子单元要实现数据交换，所基于的通信协议应该相同，例如，可以为485通信协议或者是CAN通信协议，因此，本实施例中，设置通信接口子单元，可根据参数设定子单元与处理子单元所采用的通信协议对预设参数进行格式转换，以实现两子单元之间的数据通信。

处理子单元103，与所述通信接口子单元102相连，用于根据所述预设参数生成控制指令。

脉冲驱动子单元104，与所述处理子单元103相连，用于根据所述控制指令生成所述第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和/或第三脉冲控制信号。

处理子单元可以为一计算机或其他形式的处理器，处理子单元中设置有相应的处理程序，可根据接收到的预设参数生成控制指令，该控制指令可以包括脉冲的频率和占空比等，脉冲驱动子单元根据该控制指令生成第一脉冲信号、第二脉冲信号和/或第三脉冲控制信号，以分别控制直流降压单元、全桥降压单元和逆变单元的工作状态，完成各自的功能，

本实施例只是提供控制单元的一种具体结构，在实际应中，还可以根据需要采用已有的其他形式的硬件实现，只要能够实现本实施例所述的控制单元的功能即可，不限于本实施例所述结构。

并且，如图3所示，该开关电源还可以包括第一电压传感器14、第二电压传感器15、第三电压传感器16、信号调理单元17和参数调整单元18。

第一电压传感器14，与所述直流降压单元11的输入端相连，用于检测所述直流降压单元11输入端的电压以生成第一电压值检测信号；

第二电压传感器15，与所述直流降压单元11的输出端相连，用于检测所述直流降压单元11输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

第三电压传感器16，与所述全桥降压单元12的输出端相连，用于检测所述全桥降压单元12输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

信号调理单元17，分别与所述第一电压传感器14、第二电压传感器15和第三电压传感器16相连，用于将接收到的各电压值检测信号转换成设定幅值范围内的各模拟电压信号；

参数调整单元18，与所述信号调理单元17相连，用于根据所述各模拟电压信号调整所述预设参数以发送给控制单元10，以供控制单元10根据调整后的所述预设参数生成第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号或第三脉冲控制信号。

本实施中，进一步的在开关电源中各关键点(例如，直流降压单元的输入端与输出端、全桥降压单元的输出端)设置电压传感器，以采集相应点的电压值作为检测信号。

由于通过各传感器生成的检测信号可能为电流形式的信号，也可能为电压形式的信号，如果要将上述不同类型的信号发送给参数调整单元，需要在参数调整单元上设置各种类型的接口，因此，为简化参数调整单元接收各检测信号的接口，首先通过信号调理单元对各检测信号进行处理，将各电压值检测信号转换成设定幅值范围内的各模拟电压信号，也就是将各检测信号转换成相同格式的信号，以发送给参数调整单元。

上述的各检测信号为用于检测直流降压单元和全桥降压单元工作状态的信号，例如，如果某一时刻，通过第一电压传感器检测的直流降压单元输入端电压值大于正常电压值，或通过第二电压传感器检测的直流降压单元输出端电压值小于正常电压值，或者是，通过第三电压传感器检测的全桥降压单元输出端电压值大于所需的电压值，此时，参数调整单元根据各检测信号调整控制单元中的预设参数，控制单元根据调整后的预设参数生成对直流降压单元、全桥降压单元和逆变单元的第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和第三脉冲控制信号，各脉冲控制信号可通过调整直流降压单元、全桥降压单元和逆变单元中开关管的占空比，使各单元自动调整输出端的输出电压，最终全桥降压单元的输出电压和逆变单元的输出电压为所需的电压，以分别作为第一用电设备的供电电压源和第二用电设备的供电电压源。

本实用新型实施例还提供了一种电力机车，包括第一用电设备，还包括本实用新型实施例提供的开关电源，所述开关电源中直流降压单元的输入端与所述第一用电设备相连。

本实用新型实施例提供的电力机车，采用本实用新型实施例提供的开关电源，以为机车上的用电设备提供稳定的直流电压，作为电力机车上的第一用电设备的直流供电电压源，第一供电设备可以为电机机车上的控制器、蓄电池的充电电源等设备。

该电力机车，通过采用本实用新型实施例提供的开关电源，其输入电压的等级可以为几千伏的直流电压，而为电力机车供电的电力系统中电网的输入电压通常为几千伏，因此，该开关电源可适用于为电力机车供电的大功率的电力系统的应用需求。

在上述实施例的基础上，进一步的，该电力机车还包括第二用电设备，所述开关电源还包括逆变单元，所述逆变单元的输出端与所述第二用电设备相连。

该电力机车中的第二用电设备为采用交流电作为供电电压源的设备，可以为机车上的各种风机、空调、风扇等，该开关电源中的逆变单元可输出交流电压，作为电机机车上的第二用电设备的供电电压源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种开关电源，其特征在于，包括：

控制单元，分别与直流降压单元和全桥降压单元相连，用于根据预设参数生成第一脉冲控制信号和第二脉冲控制信号；

直流降压单元，其输入端用于与直流电压源相连，其输出端与全桥降压单元的输入端相连，用于根据所述第一脉冲控制信号将直流电压源的电压降低第一设定倍数后输出；

全桥降压单元，其输出端用于与第一用电设备相连，用于所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压降低第二设定倍数后输出，以作为第一用电设备的供电电压源。

2.根据权利要求1所述的开关电源，其特征在于，所述控制单元还用于根据预设参数生成第三脉冲控制信号，该开关电源还包括：

逆变单元，与所述控制单元相连，且所述逆变单元的输入端与所述直流降压单元的输出端相连，用于根据所述第三脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压变换成设定幅值的交流电压后输出，以作为第二用电设备的供电电压源。

3.根据权利要求1或2所述的开关电源，其特征在于，所述全桥降压单元包括：

斩波器，其输入端与直流降压单元的输出端相连，用于根据所述第二脉冲控制信号将所述直流降压单元输出的直流电压变换成交流电压后输出；

变压器，其一次绕组接线端子与所述斩波器的输出端相连，用于将所述斩波器输出的交流电压降低所述第二设定倍数后输出；

全波整流子单元，分别与所述变压器的二次绕组接线端子和第一用电设备相连，用于将所述变压器输出的交流电压变化变化成直流电压后输出，以作为第一用电设备的供电电压源。

4.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，所述控制单元包括：

参数设定子单元，用于设定所述预设参数；

通信接口子单元，与所述参数设定子单元相连，用于根据设定通信协议对所述预设参数进行格式转换以发送给处理子单元；

处理子单元，与所述通信接口子单元相连，用于根据所述预设参数生成控制指令；

脉冲驱动子单元，与所述处理子单元相连，用于根据所述控制指令生成所述第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和第三脉冲控制信号。

5.根据权利要求2所述的开关电源，其特征在于，还包括：

第一电压传感器，与所述直流降压单元的输入端相连，用于检测所述直流降压单元输入端的电压以生成第一电压值检测信号；

第二电压传感器，与所述直流降压单元的输出端相连，用于检测所述直流降压单元输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

第三电压传感器，与所述全桥降压单元的输出端相连，用于检测所述全桥降压单元输出端的电压以生成第二电压值检测信号；

信号调理单元，分别与所述第一电压传感器、第二电压传感器和第三电压传感器相连，用于将接收到的各电压值检测信号转换成设定幅值范围内的各模拟电压信号；

参数调整单元，与所述信号调理单元相连，用于根据所述各模拟电压信号调整所述预设参数以发送给控制单元，以供控制单元根据调整后的所述预设参数生成第一脉冲控制信号、第二脉冲控制信号和第三脉冲控制信号。

6.一种电力机车，包括第一用电设备，其特征在于：

还包括权利要求1-5任一所述的开关电源，所述开关电源中直流降压单元的输入端与所述第一用电设备相连。

7.根据权利要求6所述的电力机车，其特征在于：

该电力机车还包括第二用电设备，所述开关电源还包括逆变单元，所述逆变单元的输出端与所述第二用电设备相连。

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