CN204290697U - 高电压直流取电电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型实施例提供一种高电压直流取电电路，包括：高频隔离变压器、供电回路、输出整流二极管、续流二极管以及依次串联的磁复位回路、第一MOS晶体管和第二MOS晶体管；所述磁复位回路并联在高频隔离变压器的一次侧；高频隔离变压器的一次侧的高压端为高电压直流取电电路输入端的高压端；第二MOS晶体管的源极为高电压直流取电电路输入端的低压端；供电回路与第一MOS晶体管和第二MOS晶体管连接，用于向第一MOS晶体管和第二MOS晶体管提供驱动脉冲；高频隔离变压器的二次侧连接输出整流二极管和续流二极管，续流二极管两端为高电压直流取电电路的电压输出端。本实用新型实施例在实现高压取电时使得电路系统更加稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种高电压直流取电电路。
背景技术
随着风力发电机组(简称“机组”)中变流器设计水平的不断提高，从直流母线取电给机组内控制系统供电已逐渐成为机组中控制系统供电发展的趋势。常规的DC/DC开关电源对功率器件的耐压要求较高，输入电压范围也相对较窄，对应的常规电路拓扑结构如单端正激电路和功率器件多用于100V以下的工作环境。目前国内外对高压直流取电的研究也大都针对直流母线电压在1000V以下的变流系统中。
而对于机组中变流器的高压系统，其正常工作电压通常高于1000V，因此，现有的电路拓扑则无法满足机组变流器的设计要求。
实用新型内容
本实用新型的实施例提供一种高电压直流取电电路，以实现变流器在高压系统中进行直流取电，同时提高电路的稳定性。
为达到上述目的，本实用新型的实施例提供了一种高电压直流取电电路，包括：
高频隔离变压器、供电回路、输出整流二极管、续流二极管以及依次串联的磁复位回路、第一MOS晶体管和第二MOS晶体管；
所述磁复位回路并联在所述高频隔离变压器的一次侧；所述高频隔离变压器的一次侧的高压端为所述高电压直流取电电路输入端的高压端；所述第二MOS晶体管的源极为所述高电压直流取电电路输入端的低压端；
所述供电回路与所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管连接，用于向所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管提供驱动脉冲；
所述高频隔离变压器的二次侧连接所述输出整流二极管和续流二极管，所述续流二极管两端为所述高电压直流取电电路的电压输出端。
如上所述的高电压直流取电电路，所述供电回路具体包括：启动供电单元、自供电单元、脉冲控制回路；
所述启动供电单元、所述自供电单元的输出端分别与所述脉冲控制回路的输入端连接；且分别还与所述第一MOS晶体管的栅极相连接。
如上所述的高电压直流取电电路，还包括：第一导通二极管和第一稳压二极管；
所述启动供电单元、所述自供电单元的输出端分别与所述第一导通二极管的正极连接，所述第一导通二极管的负极与所述第一MOS晶体管的栅极连接；
所述第一稳压二极管的正极与所述第一MOS晶体管的源极连接；所述第一稳压二极管的负极与所述第一MOS晶体管的栅极连接。
如上所述的高电压直流取电电路，所述启动供电单元包括：供电三极管、与所述供电三极管连接的限流电阻、第二稳压二极管和充电电容；
所述第二稳压二极管的正极与所述高电压直流取电电路输入端的低压端连接；所述第二稳压二极管的负极与所述供电三极管的基极连接；所述第二稳压二极管的正极和所述供电三极管的发射极两端构成所述启动供电单元的输出端，并与所述充电电容并联；所述供电三极管的集电极与所述高电压直流取电电路输入端的高压端连接。
如上所述的高电压直流取电电路，所述自供电单元包括：自供电变压器、第二导通二极管；
所述自供电变压器的一次侧设置在所述输出整流二极管与所述高电压直流取电电路输出端的高压端之间的高压端支路上；
所述自供电变压器的二次侧的高压端与所述第二导通二极管的正极连接，所述第二导通二极管的负极与所述高电压直流取电电路输出端的低压端构成所述自供电单元的输出端。
如上所述的高电压直流取电电路，所述脉冲控制回路包括：脉冲控制芯片和采样电阻；
所述脉冲控制芯片的输入端为所述脉冲控制回路的电压输入端；所述脉冲控制芯片的输出端与所述第二MOS晶体管的栅极连接；所述脉冲控制芯片的采样输入端通过所述采样电阻与所述第二MOS晶体管的源极连接。
如上所述的高电压直流取电电路，所述磁复位回路包括：复位电容、复位电阻和复位二极管；
所述复位电容和所述复位电阻并联连接后一端与所述复位二极管的负极连接，另一端与所述高频隔离变压器的一次侧的高压端连接；所述复位二极管的正极与所述高频隔离变压器的一次侧的低压端连接。
如上所述的高电压直流取电电路，还包括：输入滤波电容和输出滤波电容；
所述输入滤波电容并联在所述高电压直流取电电路的输入端两侧；
所述输出滤波电容并联在所述高电压直流取电电路的输出端两侧。
本实用新型实施例提供的高电压直流取电电路，利用两个MOS晶体管串联作为驱动高频隔离变压器的开关，而这两个MOS晶体管联合起到串联分压的作用，使得整个电路更适用于高电压直流取电的电路环境。
附图说明
图1为现有技术中的单端正激电路的电路结构原理图；
图2为本实用新型提供的高电压直流取电电路的一个电路结构示意图；
图3为本实用新型提供的高电压直流取电电路的另一个电路结构示意图；
图4为本实用新型提供的供电回路中启动供电单元的电路结构原理图；
图5为本实用新型提供的供电回路中自供电单元的电路结构原理图；
图6为本实用新型提供的供电回路中脉冲控制回路的电路结构原理图；
图7为本实用新型提供的磁复位回路的电路结构原理图；
图8为本实用新型提供的高电压直流取电电路的电路结构原理图。
附图标号说明
W-变压器、W1-原边绕组、W2-副边绕组、W3复位绕组、Q-开关管、Lf-输出滤波电感、Cf输出滤波电容、Vin-输入电压、Vo输出电压、ilf-Lf的感应电流、D1-输出整流二极管、D2-续流二极管、D3-串联二极管、D4-第一导通二极管、D5-第一稳压二极管、D6-第二稳压二极管、D7-第二导通二极管、D8-复位二极管、T1-高频隔离变压器、T2-自供电变压器、21-磁复位回路、22-供电回路、221-启动供电单元、222-自供电单元、223-脉冲控制回路、Q1-第一MOS晶体管、Q2-第二MOS晶体管、Q3-供电三极管；R1、R2、R3-限流电阻、R4-采样电阻、R5-复位电阻、R6、R7-电阻、C1-充电电容、C2-复位电容、C3-输入滤波电容、C4-输出滤波电容、U1-脉冲控制芯片。
具体实施方式
图1为现有技术中的单端正激电路的电路结构原理图。如图1所示，变压器W有三个绕组：原边绕组W1，副边绕组W2和复位绕组W3；对应的电压分别为VW1，VW2和VW3；图中圆点表示变压器的同名端。D3是复位绕组W3的串联二极管，开关管Q按脉宽调变(Pulse-Width Modulation，PWM)方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续流二极管，且端电压为Vrect，Lf是输出滤波电感，ilf是输出滤波电感的感应电流，Cf是输出滤波电容，Vin是输入电压，Vo是输出电压。
如图1所示，现有技术中的单端正激电路采用单只开关管Q控制变压器W的开启和关断，而通常由MOS晶体管或三极晶体管构成的开关管Q其耐压通常在1000V以下，导致现有单端正激电路并不适用于风电变流器的高压取电系统中。本实用新型实施例提供的高电压直流取电电路是在现有的单端正激电路的基础上，通过两个串联的MOS晶体管同步开通与关断来实现串联分压，使得落在每个MOS晶体管压降变小，从而适用于风电变流器的高压取电系统。而相应的，整个高电压直流取电电路的结构也要做出相应的调整。
实施例一
图2为本实用新型提供的高电压直流取电电路的电路结构示意图，该电路可实现在风力发电机组的直流母线上进行高压取电并转化为机组控制器所需的电压。如图2所示，该高电压直流取电电路具体包括：
高频隔离变压器T1、供电回路22、输出整流二极管D1、续流二极管D2以及依次串联的磁复位回路21、第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2；
磁复位回路21并联在高频隔离变压器T1的一次侧；高频隔离变压器T1的一次侧的高压端为图2所示高电压直流取电电路输入端的高压端；第二MOS晶体管Q2的源极为高电压直流取电电路输入端的低压端；
供电回路22与第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2连接，用于向第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2提供驱动脉冲；
高频隔离变压器T1的二次侧连接输出整流二极管D1和续流二极管D2，续流二极管D2两端为高电压直流取电电路的电压输出端。
如图2所示，上述高电压直流取电电路输入端电压记为Vin，输出端电压记为Vo。其中，上述磁复位回路21同图1所示实施例中的复位绕组W3作用相同，主要用于高频隔离变压器T1在第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2同步截止时，将其磁能消除，从而避免在第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2再次同步导通时出现磁能饱和。本实施例中，对于磁复位回路21的具体电路结构不作限定。
如图2所示，供电回路22用于为第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2提供驱动脉冲。可以理解的，若使高频隔离变压器T1能够正在工作，需保证第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2为同步导通和截止。本实施例中，对于供电回路22的具体电路结构不作限定。
如图2所示，整流二极管D1和续流二极管D2与其在图1中的位置和作用相同，在此不做赘述。
进一步的，如图3所示，供电回路22具体包括：启动供电单元221、自供电单元222、脉冲控制回路223；其中：
启动供电单元221、自供电单元222的输出端分别与脉冲控制回路223的输入端连接；且分别还与第一MOS晶体管Q1的栅极相连接。
进一步的，图3所示实施例中还包括：第一导通二极管D4和第一稳压二极管D5；
启动供电单元221、自供电单元222的输出端分别与第一导通二极管D4的正极连接，第一导通二极管D4的负极与第一MOS晶体管Q1的栅极连接；
第一稳压二极管D5的正极与第一MOS晶体管Q1的源极连接；第一稳压二极管D5的负极与第一MOS晶体管Q1的栅极连接。
其中，启动供电单元221用于在上述高电压直流取电电路启动过程中为第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2提供驱动脉冲；自供电单元222用于在上述高电压直流取电电路启动后的工作过程中为第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2提供驱动脉冲。从图3中可以看出第一MOS晶体管Q1的开通时间与第二MOS晶体管Q2完全同步，当第二MOS晶体管Q2关断时，第一MOS晶体管Q1处于悬浮关闭状态。
进一步的，如图4所示，为上述启动供电单元221的具体电路结构，包括：供电三极管Q3、与所述供电三极管连接的限流电阻(包括R1、R2、R3)、第二稳压二极管D6和充电电容C1；
第二稳压二极管D6的正极与高电压直流取电电路输入端的低压端连接；第二稳压二极管D6的负极与供电三极管Q3的基极连接；第二稳压二极管D6的正极和供电三极管Q3的发射极两端构成启动供电单元221的输出端Vo，并与充电电容C1并联；供电三极管Q3的集电极与高电压直流取电电路输入端的高压端连接。
具体地，该启动供电单元221在高电压直流取电电路启动过程中，利用外加高压Vin(如机组中的直流母线电压)通过限流电阻R1、R2、R3，以及如12V的第二稳压二极管D6，供电三极管Q3组成的回路向充电电容C1充电，从而为第一MOS晶体管Q1以及图3中的脉冲控制回路223提供驱动能量，图4中，输出端电压Vo被第二稳压管D6箝位在固定电压如12V上，从而满足高电压直流取电电路启动时第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2的驱动需求。
进一步的，如图5所示，为上述自供电单元222的具体电路结构，包括：自供电变压器T2、第二导通二极管D7。
结合图8所示，自供电变压器T2的一次侧设置在输出整流二极管D1与所述高电压直流取电电路输出端的高压端之间的高压端支路上；
自供电变压器T2的二次侧的高压端与第二导通二极管D7的正极连接，第二导通二极管D7的负极与高电压直流取电电路输出端的低压端构成所述自供电单元的输出端。
具体地，该自供电单元222在高电压直流取电电路启动后，利用在高电压直流取电电路的输出回路中加入的自供电变压器T2，构成了自供电回路。高电压直流取电电路启动后，输出如24V直流电压，使得自供电变压器T2工作在高频反激状态，当第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2关断时，由自供电变压器T2向充电电容C1充电，从而为脉冲控制回路223提供下一周期驱动第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2的能量。
进一步的，如图6所示，为上述脉冲控制回路223的具体电路结构，包括：脉冲控制芯片U1和采样电阻R4；
脉冲控制芯片U1具体可以是脉宽调制芯片，如芯片UC3823。脉冲控制芯片U1的输入端(高电压输入端)为脉冲控制回路223的电压输入端；脉冲控制芯片U1的输出端与第二MOS晶体管Q2的栅极连接；脉冲控制芯片U1的采样输入端通过采样电阻R4与第二MOS晶体管Q2的源极连接，用于采集流经第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2的串联电流。
进一步的，如图7所示，为上述磁复位回路的具体电路结构，包括：复位电容C2、复位电阻R5和复位二极管D8；
复位电容C2和复位电阻R5并联连接后一端与复位二极管D8的负极连接，另一端与高频隔离变压器T1的一次侧的高压端连接；复位二极管D8的正极与高频隔离变压器T1的一次侧的低压端连接。
图8为本实用新型提供的高电压直流取电电路的电路结构原理图，包括如上图2至图7所示实施例的电路结构。
图8中，启动供电单元221和自供电单元222的供电过程为：当高电压直流取电电路启动时，启动供电单元221通过供电三极管Q3为充电电容C1充电，从而为第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2提供驱动能量；当高电压直流取电电路正常启动后，自供电单元222启动工作，此时启动供电单元221中Q3截止，不再向充电电容C1充电，而是由自供电单元为Q1和Q2继续提供驱动能量。
进一步的，如图8所示，在脉冲控制芯片U1与第二MOS晶体管Q2之间还串联有一个电阻R6，在第一导通二极管D4与第一MOS晶体管Q1栅极之间还串联有一个电阻R7，这些电阻在电路中起到限流保护的作用。
进一步的，如图8所示，在高电压直流取电电路的输入端和输出端还分别并联有输入滤波电容C3和输入滤波电容C4，用于对输入电压和输出电压进行滤波。
进一步的，图8中，高频隔离变压器T1的一次侧和二次侧的线圈匝数比为20:1，自供电变压器T2的一次侧和二次侧的线圈匝数比为2:1。第一MOS晶体管Q1和第二MOS晶体管Q2均可采用型号为2SK3748的晶体管。
在具体实践中，对本实施例提供的高电压直流取电电路进行测试，测试结果如下：
输出电压负载稳定度：±1％(标称输入电压，输出负载在10％～100％变化，电压波动范围与额定输出电压的比值)；
输出纹波：200mV(全范围输入电压，输出额定负载，输出电压的纹波峰-峰值)
动态响应：±4.0％/400uS(负载在50％到75％阶跃变化，输出过冲幅度和恢复时间)；
满载温升：30℃(系统满载运行10分钟后外壳温度与环境温度差值)。
以上各项参数均满足设计需求，可以应用于风电变流器高压直流母线自取电向控制系统供电。
本实用新型实施例提供的高电压直流取电电路，包括：高频隔离变压器、供电回路、输出整流二极管、续流二极管以及依次串联的磁复位回路、第一MOS晶体管和第二MOS晶体管；所述磁复位回路并联在所述高频隔离变压器的一次侧；所述高频隔离变压器的一次侧的高压端为所述高电压直流取电电路输入端的高压端；所述第二MOS晶体管的源极为所述高电压直流取电电路输入端的低压端；所述供电回路与所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管连接，用于向所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管提供驱动脉冲；所述高频隔离变压器的二次侧连接所述输出整流二极管和续流二极管，所述续流二极管两端为所述高电压直流取电电路的电压输出端。本实施例所述方案通过串联两个MOS晶体管作为驱动高频隔离变压器的开关管，共同承担外加高电压(变流器直流母线电压)和开关管关断时高频隔离变压器的反向电压，使得电路系统稳定。同时，为了更好的为两个开关管供电，本实施例还分别给出了在电路启动过程中供电和运行过程中自供电的供电单元电路，为开关管的正常工作提供保障。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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 (8)
1.一种高电压直流取电电路，其特征在于，包括：
高频隔离变压器、供电回路、输出整流二极管、续流二极管以及依次串联的磁复位回路、第一MOS晶体管和第二MOS晶体管；
所述磁复位回路并联在所述高频隔离变压器的一次侧；所述高频隔离变压器的一次侧的高压端为所述高电压直流取电电路输入端的高压端；所述第二MOS晶体管的源极为所述高电压直流取电电路输入端的低压端；
所述供电回路与所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管连接，用于向所述第一MOS晶体管和第二MOS晶体管提供驱动脉冲；
所述高频隔离变压器的二次侧连接所述输出整流二极管和续流二极管，所述续流二极管两端为所述高电压直流取电电路的电压输出端。
2.根据权利要求1所述的高电压直流取电电路，其特征在于，所述供电回路具体包括：启动供电单元、自供电单元、脉冲控制回路；
所述启动供电单元、所述自供电单元的输出端分别与所述脉冲控制回路的输入端连接；且分别还与所述第一MOS晶体管的栅极相连接。
3.根据权利要求2所述的高电压直流取电电路，其特征在于，还包括：第一导通二极管和第一稳压二极管；
所述启动供电单元、所述自供电单元的输出端分别与所述第一导通二极管的正极连接，所述第一导通二极管的负极与所述第一MOS晶体管的栅极连接；
所述第一稳压二极管的正极与所述第一MOS晶体管的源极连接；所述第一稳压二极管的负极与所述第一MOS晶体管的栅极连接。
4.根据权利要求2所述的高电压直流取电电路，其特征在于，所述启动供电单元包括：供电三极管、与所述供电三极管连接的限流电阻、第二稳压二极管和充电电容；
所述第二稳压二极管的正极与所述高电压直流取电电路输入端的低压端连接；所述第二稳压二极管的负极与所述供电三极管的基极连接；所述第二稳压二极管的正极和所述供电三极管的发射极两端构成所述启动供电单元的输出端，并与所述充电电容并联；所述供电三极管的集电极与所述高电压直流取电电路输入端的高压端连接。
5.根据权利要求2所述的高电压直流取电电路，其特征在于，所述自供电单元包括：自供电变压器、第二导通二极管；
所述自供电变压器的一次侧设置在所述输出整流二极管与所述高电压直流取电电路输出端的高压端之间的高压端支路上；
所述自供电变压器的二次侧的高压端与所述第二导通二极管的正极连接，所述第二导通二极管的负极与所述高电压直流取电电路输出端的低压端构成所述自供电单元的输出端。
6.根据权利要求2所述的高电压直流取电电路，其特征在于，所述脉冲控制回路包括：脉冲控制芯片和采样电阻；
所述脉冲控制芯片的输入端为所述脉冲控制回路的电压输入端；所述脉冲控制芯片的输出端与所述第二MOS晶体管的栅极连接；所述脉冲控制芯片的采样输入端通过所述采样电阻与所述第二MOS晶体管的源极连接。
7.根据权利要求1所述的高电压直流取电电路，其特征在于，所述磁复位回路包括：复位电容、复位电阻和复位二极管；
所述复位电容和所述复位电阻并联连接后一端与所述复位二极管的负极连接，另一端与所述高频隔离变压器的一次侧的高压端连接；所述复位二极管的正极与所述高频隔离变压器的一次侧的低压端连接。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高电压直流取电电路，其特征在于，还包括：输入滤波电容和输出滤波电容；
所述输入滤波电容并联在所述高电压直流取电电路的输入端两侧；
所述输出滤波电容并联在所述高电压直流取电电路的输出端两侧。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104600967A (zh) * | 2015-01-07 | 2015-05-06 | 北京天诚同创电气有限公司 | 高电压直流取电电路 |
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2015
- 2015-01-07 CN CN201520010357.8U patent/CN204290697U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104600967A (zh) * | 2015-01-07 | 2015-05-06 | 北京天诚同创电气有限公司 | 高电压直流取电电路 |
| CN104600967B (zh) * | 2015-01-07 | 2017-12-29 | 北京天诚同创电气有限公司 | 高电压直流取电电路 |
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