CN204578388U - 一种供电电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种供电电源系统。采用IGBT晶体管取代传统的晶闸管；由于IGBT晶体管的开关频率可以提高到10kHz以上，采用的输出纹波电压可以控制在5％，可提供高精度稳压电源给列车供电；由电感、二极管、IGBT晶体管以及整流分压模块连接形成主动式高频斩波整流电路取代传统的固定基波相控整流电路，采用主动式高频斩波整流电路可减小传统平波电抗器的庞大体积，减小直流滤波电容容量及体积，实现轻量化。

Description

一种供电电源系统

技术领域

本实用新型涉及一种供电电源系统。

背景技术

DC600V列车供电电源，作为取代发电车的客车供电设备已经在传统直流机车上大量运用在和谐机车HXD1B、HXD3C等车型。目前所有的列车供电电源采用传统的晶闸管整流技术，不同型号之间仅仅是进行局部的工艺升级。

传统列车供电电源输出纹波峰峰值比例指标一般为15％，纹波电压较大；输出滤波电感体积大、电容容量大；输入功率因数最低为0.7，输入谐波含量较大，对电网污染严重；对于常用的2*400KW的备份结构，一旦一个模块损坏，整柜损失的功率为50％，冗余度较低。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种供电电源系统，在提升供电电源特性的同时减小供电电源的体积和重量。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种供电电源系统，包括功率模块；

所述功率模块包括交流输入端、整流分压模块、PFC电路、第一IGBT晶体管、第二IGBT晶体管、电感、第一二极管、第二二极管、电容、第一电阻、第二电阻和电压输出端；

所述交流输入端分别与所述电感的一端、整流分压模块的输入端和第二IGBT晶体管的集电极电连接；

所述整流分压模块的输出端、第一IGBT晶体管的栅极和第二IGBT晶体管的栅极分别与PFC电路电连接；

所述电感的另一端分别与PFC电路和第一IGBT晶体管的集电极电连接；

所述第一IGBT晶体管的集电极与第一二极管的正极电连接，所述第一二极管的负极与电压输出端电连接；

所述第二IGBT晶体管的集电极与第二二极管的正极电连接，所述第二二极管的负极与电压输出端电连接；

所述电容的一端和第一电阻的一端分别与电压输出端电连接；

所述第一IGBT晶体管的发射极、第二IGBT晶体管的发射极、电容的另一端和第一电阻的另一端均接地；

所述电压输出端通过第二电阻与PFC电路电连接。

本实用新型的有益效果在于：

1、采用IGBT晶体管取代传统的晶闸管，由于IGBT晶体管的开关频率可以提高到10kHz以上，采用的输出纹波电压可以控制在5％，可提供高精度稳压电源给列车供电；

2、由电感、二极管、IGBT晶体管以及整流分压模块连接形成主动式高频斩波整流电路取代传统的固定基波相控整流电路，采用主动式高频斩波整流电路可减小传统平波电抗器的庞大体积，减小直流滤波电容容量及体积，实现轻量化。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的一个功率模块的电路连接图；

图2为本实用新型具体实施方式的一个开关周期内输入电流交错并联波形示意图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本实用新型最关键的构思在于：采用IGBT晶体管取代传统的晶闸管；由电感、二极管、IGBT晶体管以及整流分压模块连接形成主动式高频斩波整流电路取代传统的固定基波相控整流电路。

本实用新型涉及的技术术语解释：

本实用新型提供的一种供电电源系统，包括功率模块；

所述功率模块包括交流输入端、整流分压模块、PFC电路、第一IGBT晶体管、第二IGBT晶体管、电感、第一二极管、第二二极管、电容、第一电阻、第二电阻和电压输出端；

所述交流输入端分别与所述电感的一端、整流分压模块的输入端和第二IGBT晶体管的集电极电连接；

所述整流分压模块的输出端、第一IGBT晶体管的栅极和第二IGBT晶体管的栅极分别与PFC电路电连接；

所述电感的另一端分别与PFC电路和第一IGBT晶体管的集电极电连接；

所述第一IGBT晶体管的集电极与第一二极管的正极电连接，所述第一二极管的负极与电压输出端电连接；

所述第二IGBT晶体管的集电极与第二二极管的正极电连接，所述第二二极管的负极与电压输出端电连接；

所述电容的一端和第一电阻的一端分别与电压输出端电连接；

所述第一IGBT晶体管的发射极、第二IGBT晶体管的发射极、电容的另一端和第一电阻的另一端均接地；

所述电压输出端通过第二电阻与PFC电路电连接。

从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：1、采用IGBT晶体管取代传统的晶闸管，由于IGBT晶体管的开关频率可以提高到10kHz以上，输出纹波电压可以控制在5％，可提供高精度稳压电源给列车供电；2、由电感、二极管、IGBT晶体管以及整流分压模块连接形成主动式高频斩波整流电路取代传统的固定基波相控整流电路，采用主动式高频斩波整流电路可减小传统平波电抗器的庞大体积，减小直流滤波电容容量及体积，实现轻量化。

进一步的，所述PFC电路包括电压输入端、第一补偿器、乘法器、第二补偿器和PWM发生器；

所述第二电阻的一端与第一补偿器的反相输入端电连接；所述电压输入端与第一补偿器的同相输入端电连接；

所述整流分压模块的输出端与第一补偿器的输出端分别与乘法器的输入端电连接；

所述电感的另一端与第二补偿器的反相输入端电连接；所述乘法器的输出端与第二补偿器的同相输入端电连接；

所述第二补偿器的输出端与PWM发生器的同相输入端电连接；所述PWM发生器的反相输入端输入三角波；所述PWM发生器的输出端分别与第一IGBT晶体管的栅极和第二IGBT晶体管的栅极。

由上述描述可知，通过上述连接方式，PWM发生器的输出端产生波形用于驱动第一IGBT晶体管和第二IGBT晶体管，从而进行PFC控制，精确控制电流相位，使输入电流相位跟踪输入电压的变化，可得到较高的功率因数。

进一步的，还包括监控模块；所述监控模块通过CAN总线与所述功率模块电连接。

由上述描述可知，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

进一步的，包括一个以上所述功率模块；一个以上所述功率模块分别与监控模块电连接。

由上述描述可知，一个以上所述功率模块分别与监控模块电连接形成交错并联冗余结构，具有较高的冗余度；采用交错并联的方式，可以有效降低输入高频纹波电流，从而有效减小电感的体积。

进一步的，所述监控模块包括相互连接的显示器和故障诊断仪。

由上述描述可知，监控模块可自动改变相位角度差，例如在4个功率模块交错并联的系统中，处于正常工作时，各路整流分压后的信号相位相差为360/4＝90度，如果检测到4个功率模块中有1个功率模块出现故障，监控模块及时更改相位角度差为360/3＝120度。上述监控模块会对系统中的一个以上的功率模块进行时间校准，即0时刻的对准，确保一个以上的功率模块的时钟差异造成的相位不同步，即在输入电压正向过0时刻，将此时作为0时刻，系统中的一个以上的功率模块以此为基准与各自相邻的功率模块错开360/(N+1)度。

请参照图1，本实用新型的实施例一为：

系统中包括N+1(N＝1、2、3···N)个功率模块和一个监控模块，所述监控模块与功率模块之间采用CAN通信或者其它通信方式。这些功率模块的输入电源相同，都是交流输入Vi，输出电压Vo并联给负载RL供电。

本实施例以一个功率模块进行说明，其余N个模块具有相同的结构；图1为本实用新型具体实施方式的一个功率模块的电路连接图。

系统中功率模块采用的PFC电路可以是所有拓扑的单相PFC电路，图1中功率模块的PFC电路以典型的无桥PFC电路为例进行说明。图1中PFC电路将传统的晶闸管整流电路中的两个晶闸管更换为IGBT晶体管，标号为Q11、Q21，在输入电源回路中串联电感L11，输出电容为C11，负载电阻为RL。

当IGBT晶体管Q11、Q21开通时，交流输入Vi为储能电感L11储能，输出电容C11为负载RL供电；当IGBT晶体管Q11、Q21关断时，交流输入Vi和储能电感L11为负载RL供电，同时给输出电容C11充电。

PFC电路包括如图1中的PID补偿器A1、PID补偿器A2和PWM发生器部分。PFC控制过程：电压环的输出电压给定Vref与输出电压反馈Vf11通过PID补偿器A1输出Vc11，然后通过乘法器Vs11相乘。Vs11为交流输入电压经过整流分压后的低压信号。Vc11与Vs11乘积作为电流环的电流给定与If经过PID补偿器A2后产生Vc21作为PWM发生器的同相输入信号，以三角波作为PWM发生器的反相输入信号，在PWM发生器的输出端产生的波形驱动Q11、Q21，从而进行PFC控制，使功率模块输入电流相位跟踪输入电压。同时电压环使输出电压稳定在预设值(600V)。

由于IGBT晶体管的开关频率可以提高到10kHz以上，采用的输出纹波电压可以控制在5％，并且将具有更高的稳压精度，供给列车更洁净能源；另外采用高频开关技术，将大大减小传统平波电抗器的庞大体积，并减小了直流滤波电容容量及体积，可实现轻量化。

采用高频PFC控制技术，将有效减少电网谐波干扰，额定容量下谐波含量小于5％；全范围功率在0.9以上额定负载时接近1.0，将有效降低输入的无功损耗。

采用N+1的功率模块交错并联冗余结构，相比原来的结构来说，具有较高的冗余度。通过交错并联的方式，可以有效降低输入高频纹波电流，从而减小电感L11的体积。

交错具体实现过程：

N+1个功率模块交错并联，监控模块会给出一个相位差360/(N+1)度，这个相位差的主要作用是使整流分压后的信号V11、V21…..VN1相位错开360/(N+1)度，从而确保这N+1个功率模块的输入电流相差360/(N+1)度，从而实现开关频率级的交错。在交错并联过程中，监控模块能通过软件自动改变相位角度差，例如在4个功率模块交错并联的系统中，处于正常工作时，各路整流分压后的信号相位相差为360/4＝90度，如果检测到4个功率模块中有1个功率模块出现故障，监控模块及时更改相位角度差为360/3＝120度。上述监控模块会对系统中的一个以上的功率模块进行时间校准，即0时刻的对准，确保一个以上的功率模块的时钟差异造成的相位不同步，即在输入电压正向过0时刻，将此时作为0时刻，系统中的一个以上的功率模块以此为基准与各自相邻的功率模块错开360/(N+1)度。

下图2中为系统中有2个模块在一个开关周期内输入电流交错并联波形示意图，Vg_Q11、Q21为1#模块的驱动电压，Vg_Q12、Q22为2#模块的驱动电压，iL1为1#模块输入电流，iL2为2#模块输入电流，iL为两个模块交错并联后的总输入电流。1#模块较2#模块相位超前180度，两个模块的输入瞬间直流电流相同，开关周期为T，经过并联交错后输入电源的总的输入电流纹波较原来的单个模块的纹波电流小，开关周期减小为T/2。这样有利于减小电感体积，从而减小电源的体积和重量。

综上所述，本实用新型提供的一种供电电源系统，由于IGBT晶体管的开关频率可以提高到10kHz以上，输出纹波电压可以控制在5％，并且将具有更高的稳压精度，供给列车更洁净能源；另外采用高频开关技术，将大大减小传统平波电抗器的庞大体积，并减小了直流滤波电容容量及体积，可实现轻量化。采用高频PFC控制技术，将有效减少电网谐波干扰，额定容量下谐波含量小于5％；全范围功率在0.9以上额定负载时接近1.0，将有效降低输入的无功损耗。采用N+1的功率模块交错并联冗余结构，相比原来的结构来说，具有较高的冗余度。通过交错并联的方式，可以有效降低输入高频纹波电流，从而减小电感L11的体积。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种供电电源系统，其特征在于，包括功率模块；

所述功率模块包括交流输入端、整流分压模块、PFC电路、第一IGBT晶体管、第二IGBT晶体管、电感、第一二极管、第二二极管、电容、第一电阻、第二电阻和电压输出端；

所述交流输入端分别与所述电感的一端、整流分压模块的输入端和第二IGBT晶体管的集电极电连接；

所述整流分压模块的输出端、第一IGBT晶体管的栅极和第二IGBT晶体管的栅极分别与PFC电路电连接；

所述电感的另一端分别与PFC电路和第一IGBT晶体管的集电极电连接；

所述第一IGBT晶体管的集电极与第一二极管的正极电连接，所述第一二极管的负极与电压输出端电连接；

所述第二IGBT晶体管的集电极与第二二极管的正极电连接，所述第二二极管的负极与电压输出端电连接；

所述电容的一端和第一电阻的一端分别与电压输出端电连接；

所述第一IGBT晶体管的发射极、第二IGBT晶体管的发射极、电容的另一端和第一电阻的另一端均接地；

所述电压输出端通过第二电阻与PFC电路电连接。

2.根据权利要求1所述的一种供电电源系统，其特征在于，所述PFC电路包括电压输入端、第一补偿器、乘法器、第二补偿器和PWM发生器；

所述第二电阻的一端与第一补偿器的反相输入端电连接；所述电压输入端与第一补偿器的同相输入端电连接；

所述整流分压模块的输出端与第一补偿器的输出端分别与乘法器的输入端电连接；

所述电感的另一端与第二补偿器的反相输入端电连接；所述乘法器的输出端与第二补偿器的同相输入端电连接；

所述第二补偿器的输出端与PWM发生器的同相输入端电连接；所述PWM发生器的反相输入端输入三角波；所述PWM发生器的输出端分别与第一IGBT晶体管的栅极和第二IGBT晶体管的栅极。

3.根据权利要求1所述的一种供电电源系统，其特征在于，还包括监控模块；所述监控模块通过CAN总线与所述功率模块电连接。

4.根据权利要求3所述的一种供电电源系统，其特征在于，包括一个以上所述功率模块；一个以上所述功率模块分别与监控模块电连接。

5.根据权利要求3所述的一种供电电源系统，其特征在于，所述监控模块包括相互连接的显示器和故障诊断仪。