CN205945545U - 谐振式软开关低压大电流直流电源 - Google Patents

谐振式软开关低压大电流直流电源 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，三相整流桥的输出端与滤波电容器组相连，滤波电容器组连接IGBT逆变桥的输入端，IGBT逆变桥的控制端连接控制回路中的IGBT隔离驱动单元，IGBT隔离驱动单元连接控制回路中的主控制单元，由控制回路中的开关电源为主控制单元提供工作电压，IGBT逆变桥的输出端经由谐振电容组C4及谐振补偿电感L2与高频隔离变压器的原级相连，次级快恢复整流器通过高频隔离变压器的次级绕组并联运行，次级快恢复整流器的输出端连接直流输出端口。本实用新型具有高效率、IGBT和隔离变压器利用率高、电力电子器件运行安全、电源整体体积更小、综合成本更低等特点。

Description

谐振式软开关低压大电流直流电源
技术领域
本实用新型涉及一种低压大电流直流电源。
背景技术
对于低压大电流直流电源产品，目前主要存在三种主回路和控制结构型式：第一种是移相式软开关IGBT逆变(以下简称移相式软开关逆变)，第二种是PWM硬开关IGBT逆变，第三种是晶闸管工频移相式调节型式。
第三种型式的产品因其效率和功率因数均明显低下，而且对电网的谐波影响很大，产品成本也并不低，目前已趋淘汰，在此不作为分析比较对象。第二种PWM硬开关属于模拟式产品时代的过渡技术，存在IGBT和次级大电流整流管损耗大、利用率低、隔离变压器利用率低等缺点，随着微处理器逆变技术的普及，已逐渐被移相式软开关逆变技术所取代。
然而，采用移相式软开关技术的低压大电流直流电源仍然存在下列缺陷：
1、隔离变压器体积大、损耗大、成本高。
漏感对于低压大电流变压器的影响非常大，为了保证能够大电流输出，不得不从设计上提高变压器次级电压，降低了变压器的初级/次级电压比，从而增大了变压器的初级电流。
另一方面，由于逆变频率不能做得较高，相对来说隔离变压器的体积也就不能做得较小。
体积大、电流大的变压器意味着损耗也较大，且成本较高。
2、IGBT电流等级大，次级整流器件电压等级大。
如第1点所述，变压器的初级电流较大，也就意味着IGBT需要输出更大的电流，因此需要更大功率的IGBT模块。
由于提高了变压器的次级空载电压，因此需要更大电压等级的次级整流器件。
3、IGBT工作在软开通、硬关断状态。
移相式软开关逆变技术具有软开通、硬关断的特征，IGBT的关断损耗较大。
同理，次级整流器件也处于硬关断状态。
4、逆变效率较低，主要有三方面的原因：
4.1、IGBT和变压器均工作在较大电流之下，损耗比较高；
4.2、较大的电流更加剧了IGBT的关断损耗；
4.3、工作在硬关断状态下的整流器件的损耗也较大。
5、工作频率不高。
由于IGBT工作电流大，关断损耗高，故不能工作在较高频率下，因此无法减小隔离变压器的体积。
6、功率器件的过电压高。
由于IGBT工作电流大且为硬关断，其关断过电压较高，同理次级整流器件的过电压也较高，功率器件的安全稳定运行性能欠佳。
7.模拟式产品的稳定性和控制精度欠佳。
发明内容
本实用新型的目的是提供低压大电流直流电源，其逆变回路为IGBT谐振式软开关，并采用DSP控制器和CPLD进行全数字式精确控制。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种谐振式软开关低压大电流直流电源，包括主回路及控制回路，其中，主回路包括三相整流桥，三相整流桥的输入端经由熔丝及断路器一连接3相电源输入，其特征在于，三相整流桥的输出端与滤波电容器组相连，滤波电容器组连接IGBT逆变桥的输入端，IGBT逆变桥的控制端连接控制回路中的IGBT隔离驱动单元，IGBT隔离驱动单元连接控制回路中的主控制单元，由控制回路中的开关电源为主控制单元提供工作电压，IGBT逆变桥的输出端经由谐振电容组C4及谐振补偿电感L2与高频隔离变压器的原级相连，次级快恢复整流器通过高频隔离变压器的次级绕组并联运行，次级快恢复整流器的输出端连接直流输出端口。
优选地，在所述三相整流桥与所述滤波电容器组之间连接有用于检测主回路直流电流的直流分流器，在所述次级快恢复整流器与所述直流输出端口之间连接有用于检测次级直流大电流的霍尔元件，直流分流器及霍尔元件与所述主控制单元的信号反馈输入端相连。
优选地，在所述三相整流桥与所述滤波电容器组之间连接有充电缓冲电路。
优选地，所述充电缓冲电路由并联的缓冲接触器和缓冲电阻构成。
优选地，所述开关电源的输入端经由断路器二与控制电源相连，所述缓冲接触器的线圈及用于控制所述缓冲接触器的继电器串联后还跨接在断路器二的输出端之间，继电器与继电器控制开关相连，继电器控制开关连接所述主控制单元的控制端。
优选地，在所述断路器二的输出端之间还连接有用于对主回路中电力电子器件冷却的冷却风机一及用于所述高频隔离变压器、所述谐振输出电路及所述次级快恢复整流器冷却的冷却风机二。
优选地，所述控制回路还包括报警状态指示灯，报警状态指示灯连接指示灯控制开关，指示灯控制开关连接所述主控制单元的控制端。
优选地，在所述次级快恢复整流器与所述直流输出端口之间连接有次级滤波电感L3及次级滤波电容C4。
优选地，所述控制回路还包括与所述主控制单元相连的显示及按键单元。
优选地，所述主控制单元基于CPLD及DSP。
本实用新型具有下列三个最主要的技术特点：
1、谐振式软开关主回路结构
IGBT的输出回路具有LC谐振部件(谐振补偿电感L2和谐振电容C4)，电源的工作频率不是由程序控制，而是由谐振补偿电感L2和谐振电容C4以及变压器的漏感产生的谐振频率所决定，因此，IGBT可以工作在软开关状态。
根据串联谐振回路中LC阻抗为零的原理，该电路结构最大的优点是谐振回路可以自动清除变压器的漏感阻抗，IGBT输出电流(也就是变压器的初级电流)不需要增大，变压器的初级/次级匝数比也不需要变小，即使是低压大电流输出时也是如此，这极大地提高了IGBT和变压器的效率并降低成本。
2、采用DSP和CPLD进行全数字式控制
与移相式软开关控制以及模拟式谐振软开关控制不同，本实用新型的频率、相位控制是全数控的，频率和相位具有自动跟踪功能；电源的其它功能包括测量、控制、运行、显示、限制、保护等均采用DSP数字控制。
3、运行频率高、电源体积较小，成本较低
由于IGBT工作在软开关状态，并且工作电流较小，因此损耗低，散热尺寸较小，而且可以设计较高的运行频率，这降低了输出变压器的尺寸，因此电源产品的整体体积较小，成本降低。
此外，本实用新型同时采用了下列措施，以提高设备性能：
4、在整流输入侧采用滤波电路，以提高电源的功率因素、降低输入电流谐波。
5、在大电流输出侧采用滤波电路，以降低输出电压的纹波。
6、不间断运行
在意外保护或发生供电回路快切或闪变情况下，装置可以进行自动监测，并自动恢复运行，避免停机造成的生产损失。
7、内置恒温度闭环运行模块
装置内置PID程序，适合温度闭环运行，也可以实现升温及降温速度控制。由于采用数字式，适应各种快速和慢速温度变化的场合，参数可以在线整定。
8、具有多种运行模式
具有恒输出电流运行、恒输出电压运行、恒输出功率运行、温度闭环运行、工艺程序运行五种运行模式。
各种运行模式下均具有限制保护功能。
9、能实现输出电压/电流/功率0～100％连续可调。
数字式控制提供了最大的可调节动态范围。
10、完善的保护限制功能
电源具有短路、过载、过压、过流、过温保护和限制功能，具有变压器温度以及电容温度检测。
11、具有串行口RS232/RS485通讯功能
装置配置RS232/RS485C接口和通讯协议，支持MODBUS协议，通过RS232/RS485，可以实现通讯控制，并与其他设备协调运行。
12、报警和故障事件记录功能
装置能记录在运行过程中所发生的报警和故障事件，所有保存的事件均能在系统显示单元上查询。
13、完整的用户接口
装置的用户接口包括隔离的数字量输入输出接口、继电器接点输出接口，隔离的模拟量输入接口。
通过用户接口，可以方便地实现远方控制、中央控制等功能。
综上所述，本实用新型的重要特点是：采用全数字式控制，低压大电流的输出能力强，在输出电压低于10V、输出电流高于10000A的工况下，仍然不会降低隔离变压器和IGBT的利用率和效率，其隔离变压器的体积以及IGBT的电流等级都只需要移相式软开关技术的一半左右，而且运行效率更高。
本实用新型能高效率地完成大功率逆变、谐振、隔离、大电流整流。与传统的非谐振式软开关直流电源相比，本实用新型具有高效率、IGBT和隔离变压器利用率高、电力电子器件运行安全、电源整体体积更小、综合成本更低等特点。同时，本实用新型具有数字界面和接口、多种运行和控制模式、适应范围宽等特点，可广泛用于各种加热炉、直流加热、直流电源、电镀电解电源等领域。
附图说明
图1为本实用新型中的主回路的电路示意图；
图2为本实用新型中的控制回路的控制部分的电路示意图；
图3为本实用新型中的控制回路的告警部分的电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，为本实用新型提供的一种谐振式软开关低压大电流直流电源的主回路部分，包括断路器一K1，三相380VAC电源进入断路器一K1，经熔丝F1、F2、F3连接至三相整流桥BD1。三相整流桥BD1的输出端连接有整流侧吸收电容C1。由缓冲接触器K2和缓冲电阻RB1共同构成充电缓冲电路，充电缓冲电路的作用是消除上电时对输入回路和整流桥的电流冲击，并减小对电网的冲击和干扰。充电缓冲电路再经由滤波电感L1及直流分流器S1连接滤波电容器组GCA，直流分流器S1用于检测主回路直流电流。
滤波电容器组GCA是逆变滤波电容组，其再与高频吸收电容C2、C3相连有连接IGBT逆变桥。IGBT逆变桥为由IGBT2和IGBT3构成的全桥逆变电路。IGBT逆变桥在控制回路中的DSP主控制板的控制下完成变流转换，将直流电压转换成中频交流电压，且中频交流电压的频率正好与谐振电容C4与谐振补偿电感L2的谐振频率一致，相位则满足IGBT的电流过零开关。
谐振电容器组C4、高频隔离变压器T1、谐振补偿电感L2是谐振输出电路，电源的工作频率应该刚好等于谐振电容器组C4与谐振补偿电感L2及高频隔离变压器T1漏感的谐振频率。
次级快恢复整流器BD2实际上可能具有很多组，通过输出隔离变压器T1的次级绕组并联运行。次级快恢复整流器BD2的输出端经由用于检测次级直流大电流的霍尔元件S2、次级滤波电感L3及次级滤波电容C5连接直流输出端。次级滤波电感L3和次级滤波电容C5的作用是减少直流输出电压的纹波，如果输出回路较长，或者负载对纹波没有要求，可以取消次级滤波电感L3和次级滤波电容C5。
中频结构和高频结构的控制部分线路图相同，如图2及图3所示，220VAC控制电源连接至断路器二CK1，再连接电源内部的两个冷却风机FUN1、FUN2，其中一个冷却风机用于主回路电力电子器件的冷却，另一个冷却风机用于高频隔离变压器T1、谐振电容器组C4、次级快恢复整流器BD2的冷却。断路器二CK1还连接串联的缓冲接触器K2的线圈及用于控制缓冲接触器K2的继电器K3。随后与内部的开关电源SWP相连。DSP主控制板是本实用新型的核心控制线路板，所有的测量、运行、控制、保护、输入和输出均在DSP主控制板上完成。DSP主控制板基于DSP及CPLD实现。显示和按键单元连接至DSP主控制板，完成操作和界面显示。用于驱动IGBT逆变桥的IGBT隔离驱动板也连接至DSP主控制板，受DSP和CPLD的控制，驱动IGBT逆变桥完成逆变。DSP主控制板还采集直流分流器S1及霍尔元件S2给出的信号。
再结合图3所示，CV+和CV-是24VDC控制电源，本实用新型的控制回路还包括24VDC电源指示灯LA1及报警状态指示灯LA2。与报警状态指示灯LA2相连的指示灯开关K2.2连接至DSP主控制板，受DSP及CPLD的控制，当装置发生报警时，报警状态指示灯LA2亮。与继电器K3相连的继电器控制开关K3.2同样连接至DSP主控制板。
在逆变控制环节，实现谐振电流过零软开关，降低IGBT的开关损耗，提高开关频率是关键，本实用新型采用DSP和CPLD进行准确、快速控制，能保证在各种工况下实现零电流开关，准确跟踪谐振频率，不产生相位偏移，并通过降低死区时间、提高驱动速度、选用快速型IGBT等措施，保证了低损耗和稳定的IGBT逆变。在隔离和阻抗匹配环节，本实用新型采用了高频铁氧体或超微晶铁心变压器，并采用高频利兹电缆制作绕组以降低涡流损耗，采用降低漏感以及提高散热能力的结构设计和加工变压器。在谐振环节，本实用新型的谐振电容器组采用多个空冷聚丙烯薄膜电容器，替代传统的水冷式电热电容器，用降低漏感、降低感应损耗、提高散热能力的方式串并联组合，以获得低损耗和大电流的输出。

Claims (10)

1.一种谐振式软开关低压大电流直流电源，包括主回路及控制回路，其中，主回路包括三相整流桥(BD1)，三相整流桥(BD1)的输入端经由熔丝及断路器一(K1)连接3相电源输入，其特征在于，三相整流桥(BD1)的输出端与滤波电容器组(GCA)相连，滤波电容器组(GCA)连接IGBT逆变桥的输入端，IGBT逆变桥的控制端连接控制回路中的IGBT隔离驱动单元，IGBT隔离驱动单元连接控制回路中的主控制单元，由控制回路中的开关电源(SWP)为主控制单元提供工作电压，IGBT逆变桥的输出端经由谐振电容组C4及谐振补偿电感L2与高频隔离变压器的原级相连，次级快恢复整流器(BD2)通过高频隔离变压器的次级绕组并联运行，次级快恢复整流器(BD2)的输出端连接直流输出端口。
2.如权利要求1所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，在所述三相整流桥(BD1)与所述滤波电容器组(GCA)之间连接有用于检测主回路直流电流的直流分流器(S1)，在所述次级快恢复整流器(BD2)与所述直流输出端口之间连接有用于检测次级直流大电流的霍尔元件(S2)，直流分流器(S1)及霍尔元件(S2)与所述主控制单元的信号反馈输入端相连。
3.如权利要求1所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，在所述三相整流桥(BD1)与所述滤波电容器组(GCA)之间连接有充电缓冲电路。
4.如权利要求3所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，所述充电缓冲电路由并联的缓冲接触器(K2)和缓冲电阻(RB1)构成。
5.如权利要求4所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，所述开关电源(SWP)的输入端经由断路器二(CK1)与控制电源相连，所述缓冲接触器(K2)的线圈及用于控制所述缓冲接触器(K2)的继电器(K3)串联后还跨接在断路器二(CK1)的输出端之间，继电器(K3)与继电器控制开关(K3.2)相连，继电器控制开关(K3.2)连接所述主控制单元的控制端。
6.如权利要求5所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，在所述断路器二(CK1)的输出端之间还连接有用于对主回路中电力电子器件冷却的冷却风机一(FUN1)及用于所述高频隔离变压器、所述谐振输出电路及所述次级快恢复整流器(BD2)冷却的冷却风机二(FUN2)。
7.如权利要求5所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，所述控制回路还包括报警状态指示灯(LA2)，报警状态指示灯(LA2)连接指示灯控制开关(K2.2)，指示灯控制开关(K2.2)连接所述主控制单元的控制端。
8.如权利要求1所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，在所述次级快恢复整流器(BD2)与所述直流输出端口之间连接有次级滤波电感L3及次级滤波电容C5。
9.如权利要求1所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，所述控制回路还包括与所述主控制单元相连的显示及按键单元。
10.如权利要求1所述的一种谐振式软开关低压大电流直流电源，其特征在于，所述主控制单元基于CPLD及DSP。
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