CN210041670U - 直流电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直流电源电路，包括交流输入单元、整流单元、直流变换单元、直流输出单元以及控制单元，直流变换单元包括至少两组半桥变换子单元；整流单元的输入端连接到交流输入单元，且整流单元的输出端经由直流母线连接到每一半桥变换子单元的输入端；至少两组半桥变换子单元的输出端分别连接到直流输出单元的正极；控制单元连接到每一半桥变换子单元的控制端，且至少两组半桥变换子单元根据控制单元发送的PWM信号将直流母线电压转换为输出直流电压。本实用新型通过PWM高频控制技术和多级变换电路交错并联的技术，直流电源电路的输出电压稳压精度高、动态响应快、输出调压范围宽；通过多极开关可以有效的防止故障扩大化。

Description

直流电源电路

技术领域

本实用新型实施例涉及直流电源领域，更具体地说，涉及一种直流电源电路。

背景技术

现有的工业用大功率直流电源主要采用的是基于晶闸管相控整流技术的单级交流-直流整流电路，这种单级变换的相控整流电路稳压精度低、动态响应慢、输出调压范围窄，越来越不适应于当前的工业设备对于直流电源的宽调压范围、高精度和动态响应快的需求。

现有的民用高频开关电源整流器虽然在输出电压精度和动态响应速度等性能指标上满足工业应用的要求，但是民用高频开关电源整流器的单机功率一般都偏小，且过于追求高功率密度和高效率，民用电源设备的可靠性无法满足工业应用的需求。

另外，传统工业用大功率直流电源采用的输入和输出开关是独立配置的，当输入出现过流故障，只是输入开关跳闸，设备内部存储的能量会继续转换并向负载输送，如果此时设备内部有严重故障，输送给负载的电压和电流有可能是有害的，由于输出开关未能断开电源和负载的电气连接，负载因此可能受到损害。同样地，当输出出现过流故障时，只是输出开关跳闸，输入开关继续将输入电源连接至电源设备内部，内部电路继续工作，如果此时设备内部有严重故障，从输入电源源源不断进入设备内部的能量可能会导致电源设备内部的故障扩大化。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种直流电源电路，旨在解决现有的工业用大功率直流电源的稳压精度低、动态响应慢、输出调压范围窄的问题。

本实用新型实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种直流电源电路，包括交流输入单元、整流单元、直流变换单元、直流输出单元以及控制单元，所述直流变换单元包括至少两组半桥变换子单元；其中，所述整流单元的输入端连接到所述交流输入单元，且所述整流单元的输出端经由直流母线连接到每一所述半桥变换子单元的输入端；所述至少两组半桥变换子单元的输出端分别连接到所述直流输出单元的正极；所述控制单元的输出端连接到每一所述半桥变换子单元的控制端，且所述至少两组半桥变换子单元根据所述控制单元发送的PWM信号将直流母线电压转换为输出直流电压。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述直流电源电路包括一个多极开关，所述多极开关分别连接到所述交流输入单元和直流输出单元。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述交流输入单元连接到单相交流电源，所述多极开关为二极开关，所述二极开关的第一极触点连接所述交流输入单元的火线或零线，所述二极开关的第二极触点连接到所述直流输出单元的正极或负极。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述交流输入单元连接到单相交流电源，所述多极开关为三极开关，所述三极开关的第一极触点连接所述交流输入单元的火线或零线，所述三极开关的第二极触点和第三极触点并联连接到所述直流输出单元的正极或负极。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述交流输入单元连接到三相交流电源，所述多极开关为四极开关，所述四极开关的第一极触点、第二极触点、第三极触点分别连接所述交流输入单元的三相输入线，所述四极开关的第四极触点连接到所述直流输出单元的正极或负极。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述至少两组半桥变换子单元包括第一半桥变换子单元和第二半桥变换子单元，所述第一半桥变换子单元和所述第二半桥变换子单元并联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间；所述第一半桥变换子单元包括串联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管为所述第一半桥变换子单元的上管；所述第二半桥变换子单元包括串联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管为所述第二半桥变换子单元的上管；所述控制单元向所述第一开关管和所述第三开关管发送的PWM信号的相位相差180度。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述直流输出单元包括第一电流传感器和第二电流传感器；

所述第一电流传感器，用于监测所述直流输出单元中所有半桥变换子单元输出的总电流；

所述第二电流传感器，用于监测所述直流输出单元中任一半桥变换子单元的输出电流；且所述控制单元根据所述第二电流传感器监测获取的电流，对所述直流变换单元进行闭环控制。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述交流输入单元包括隔离变压器和互感器；

所述互感器位于所述多极开关和所述隔离变压器之间，用于检测所述交流输入单元的输入电流，所述控制单元根据所述交流输入单元的输入电流对所述整流单元进行闭环控制；

所述隔离变压器的原边经由所述多极开关连接所述交流输入单元的输入端，副边连接到所述整流单元，用于对所述交流输入单元的交流输入电压进行隔离和变压。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述直流电源电路包括直流母线电容，所述直流母线电容连接在所述直流母线的正极和负极之间。

在本实用新型实施例所述的直流电源电路中，所述直流电源电路包括第一熔断器，所述第一熔断器连接在所述整流单元的负输出端和所述直流母线电容的负极之间；所述直流输出单元包括第二熔断器，所述第二熔断器和所述多极开关分别连接在所述直流输出单元的正极和负极。

本实用新型实施例的一种直流电源电路具有以下技术效果：通过采用基于PWM高频控制技术，直流电源电路的输出直流电压稳压精度高、动态响应快、输出调压范围宽；同时通过采用多级变换电路交错并联的技术，在实现大功率输出的同时，还大大降低了输出电压纹波，进一步提升了输出电压稳压精度，同时还降低了直流母线电容的纹波电流，大大提升了电源设备的寿命，进一步增强了可靠性；通过多极开关将直流电源电路前级的交流输入单元和后级的负载设备同时脱离电气连接，在极端情况下，可以有效的防止故障扩大化。

附图说明

图1是本实用新型提供的直流电源电路的第一实施例示意图；

图2是本实用新型提供的直流电源电路的第二实施例示意图；

图3是本实用新型提供的直流电源电路的第三实施例示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，是本实用新型提供的直流电源电路的第一实施例示意图，该直流电源电路适合于对可靠性要求较高的工业直流大功率应用。本实施例中的直流电源电路包括交流输入单元1、整流单元2、直流变换单元3、直流输出单元4以及控制单元，直流变换单元4包括至少两组半桥变换子单元(如图1中T4、T5)；其中，整流单元2的输入端连接到交流输入单元1，且整流单元2的输出端经由直流母线连接到每一半桥变换子单元的输入端；至少两组半桥变换子单元的输出端分别连接到直流输出单元4的正极；控制单元的输出端连接到每一半桥变换子单元的控制端，且至少两组半桥变换子单元根据控制单元发送的PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号将直流母线电压转换为输出直流电压。

本实用新型实施例提供的直流电源电路通过采用基于PWM高频控制技术，通过对半桥变换子单元T4和T5的驱动脉冲宽度的控制来实现输出电压幅值的控制，可以实现范围从0V至直流变换单元3的输入直流电压(直流母线两端电压)的高精度调压，解决现有的工业用大功率直流电源输出调压范围窄的问题，且直流电源电路的输出直流电压稳压精度高，动态响应快；同时通过采用多级变换电路交错并联的技术，在实现大功率输出的同时，还大大降低了输出电压纹波，进一步提升了输出电压稳压精度，同时还降低了直流母线电容的纹波电流，大大提升了电源设备的寿命，进一步增强了可靠性。

本实用新型实施例提供的直流电源电路为解决现有的工业用大功率直流电源在过流故障状态下无法实现同时断开自身输入电源和负载的电气连接的问题，创新性引入一个多极开关，多极开关的不同接线位分别连接到交流输入单元1和直流输出单元4。该多极开关可为具备过流保护自动跳闸的断路器或者类似装置，无论是直流电源电路的输入还是输出存在过流故障，该多极开关在交流输入单元1和直流输出单元4的不同接线位会同时跳闸，将直流电源电路前级的交流输入单元1和后级的负载设备同时脱离电气连接，在极端情况下，可以有效的防止故障扩大化。

具体地，在交流输入单元1连接到单相交流电源时，多极开关可为二极开关，二极开关的第一极触点Q1-1连接交流输入单元1的火线(P1)或零线(N1)，二极开关的第二极触点Q1-3连接到直流输出单元4的正极DC+或负极DC-。

为满足大电流输出的要求，如图2所示，是本实用新型提供的直流电源电路的第二实施例示意图，在交流输入单元1连接到单相交流电源时，多极开关为三极开关，三极开关的第一极触点Q1-1连接交流输入单元1的火线(P1)或零线(N1)，三极开关的第二极触点Q1-3和第三极触点Q1-5并联连接到直流输出单元4的正极DC+或负极DC-。

如图3所示，是本实用新型提供的直流电源电路的第三实施例示意图，在交流输入单元1连接到三相交流电源时，上述多极开关可为四极开关，四极开关的第一极触点Q1-1、第二极触点Q1-3、第三极触点Q1-5分别连接交流输入单元1的三相输入线VinA、VinB、VinC，四极开关的第四极触点Q1-7连接到直流输出单元4的正极DC+或负极DC-。

上述直流变换单元3由至少两组半桥变换子单元交错并联构成，具体可包括第一半桥变换子单元T4和第二半桥变换子单元T5，第一半桥变换子单元T4和第二半桥变换子单元T5并联连接在直流母线的正输出端和负输出端之间；第一半桥变换子单元T4包括串联连接在直流母线的正输出端和负输出端之间的第一开关管和第二开关管，第一开关管为第一半桥变换子单元T4的上管；第二半桥变换子单元T5包括串联连接在直流母线的正输出端和负输出端之间的第三开关管和第四开关管，第三开关管为第二半桥变换子单元T5的上管；控制单元向第一开关管和第三开关管发送的PWM信号的相位相差180度。

上述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管可以是IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)或是具有全控型特征的其它半导体功率器件。

本实用新型实施例提供的直流电源电路由于采用了两路交错并联控制技术，直流电源电路在实现大功率输出的同时，还大大降低了输出电压纹波、进一步提升了输出电压稳压精度，同时还降低了直流母线电容的纹波电流，大大提升了电源设备的寿命，进一步增强了可靠性。

本实用新型实施例提供的直流输出单元4在电流传感器的设置上采用了创新的方式，以图1-图3所示的2个半桥变换子单元为例，传统的交错并联要同时实现两路半桥变换子单元的独立控制就各需要1个电流传感器，同时要实现总输出电流的检测和控制，还需要1只电流传感器，如此导致检测电路复杂，传感器成本高的问题。本实用新型实施例提供的直流输出单元4包括第一电流传感器HAT1和第二电流传感器HAT2，只在1个半桥变换子单元T5上设置了1个第二电流传感器HAT2，同时在交错并联点之后的总输出上设置了1个第一电流传感器HAT1，第二电流传感器HAT2的瞬时值减去第一电流传感器HAT1的瞬时值就得到了另外一个未设置电流传感器的半桥变换子单元的输出电流，如此就减少了1个电流传感器的使用，检测电流也会因此得到简化。在电流传感器功能的设计上，第二电流传感器HAT2用于监测直流输出单元4中任一半桥变换子单元的输出电流；且控制单元根据第二电流传感器HAT2监测获取的电流，对直流变换单元3进行闭环控制；第一电流传感器HAT1用于监测直流输出单元4中所有半桥变换子单元输出的总电流，用于输出过流和短路保护。

特别地，上述交流输入单元1包括隔离变压器X1和互感器CT1。互感器CT1位于多极开关和隔离变压器X1之间，用于检测交流输入单元1的输入电流，本实用新型实施例提供的整流单元2采用闭环控制技术，控制单元根据交流输入单元1的输入电流对整流单元2进行闭环控制，使得整流单元2的输出电压是闭环稳压控制的，在输入交流电压允许的波动范围内能够输出稳定的直流电压。

上述隔离变压器X1的原边经由多极开关连接交流输入单元1的输入端，副边连接到整流单元2，用于对交流输入单元1的交流输入电压进行隔离和变压(降压或升压，取决于输出电压的要求)。

本实用新型实施例提供的直流电源电路包括直流母线电容C1，直流母线电容C1连接在直流母线的正极和负极之间，用于对经过整流单元2整流后的直流电压进行滤波得到稳定的直流电压，并将稳定的直流电压作为直流变换单元3的输入。

上述直流电源电路还包括第一熔断器F1，第一熔断器F1连接在整流单元2的负输出端和直流母线电容C1的负极之间，用于整流单元2后端的过流和短路保护。

上述直流输出单元4还包括第二熔断器F2，第二熔断器F2和多极开关分别连接在直流输出单元4的正极和负极，并分别对直流输出单元4的正极和负极进行过流保护。本实用新型实施例提供的直流电源电路通过多极开关装置和第二熔断器的配合使用完善了直流输出单元4的过流保护功能。

本实用新型实施例提供的整流单元2类型为单相(图1和图2)和三相全桥晶闸管相控整流器(图3)，与此类似的还包括二极管整流器以及同桥臂为二极管和晶闸管组合的半周波控制的整流器，在此不一一列举。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直流电源电路，其特征在于，包括交流输入单元、整流单元、直流变换单元、直流输出单元以及控制单元，所述直流变换单元包括至少两组半桥变换子单元；其中，所述整流单元的输入端连接到所述交流输入单元，且所述整流单元的输出端经由直流母线连接到每一所述半桥变换子单元的输入端；所述至少两组半桥变换子单元的输出端分别连接到所述直流输出单元的正极；所述控制单元的输出端连接到每一所述半桥变换子单元的控制端，且所述至少两组半桥变换子单元根据所述控制单元发送的PWM信号将直流母线电压转换为输出直流电压。

2.根据权利要求1所述的直流电源电路，其特征在于，所述直流电源电路包括一个多极开关，所述多极开关分别连接到所述交流输入单元和直流输出单元。

3.根据权利要求2所述的直流电源电路，其特征在于，所述交流输入单元连接到单相交流电源，所述多极开关为二极开关，所述二极开关的第一极触点连接所述交流输入单元的火线或零线，所述二极开关的第二极触点连接到所述直流输出单元的正极或负极。

4.根据权利要求2所述的直流电源电路，其特征在于，所述交流输入单元连接到单相交流电源，所述多极开关为三极开关，所述三极开关的第一极触点连接所述交流输入单元的火线或零线，所述三极开关的第二极触点和第三极触点并联连接到所述直流输出单元的正极或负极。

5.根据权利要求2所述的直流电源电路，其特征在于，所述交流输入单元连接到三相交流电源，所述多极开关为四极开关，所述四极开关的第一极触点、第二极触点、第三极触点分别连接所述交流输入单元的三相输入线，所述四极开关的第四极触点连接到所述直流输出单元的正极或负极。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的直流电源电路，其特征在于，所述至少两组半桥变换子单元包括第一半桥变换子单元和第二半桥变换子单元，所述第一半桥变换子单元和所述第二半桥变换子单元并联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间；所述第一半桥变换子单元包括串联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管为所述第一半桥变换子单元的上管；所述第二半桥变换子单元包括串联连接在所述直流母线的正输出端和负输出端之间的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管为所述第二半桥变换子单元的上管；所述控制单元向所述第一开关管和所述第三开关管发送的PWM信号的相位相差180度。

7.根据权利要求6所述的直流电源电路，其特征在于，所述直流输出单元包括第一电流传感器和第二电流传感器；

所述第一电流传感器，用于监测所述直流输出单元中所有半桥变换子单元输出的总电流；

所述第二电流传感器，用于监测所述直流输出单元中任一半桥变换子单元的输出电流；且所述控制单元根据所述第二电流传感器监测获取的电流，对所述直流变换单元进行闭环控制。

8.根据权利要求2所述的直流电源电路，其特征在于，所述交流输入单元包括隔离变压器和互感器；

所述互感器位于所述多极开关和所述隔离变压器之间，用于检测所述交流输入单元的输入电流，所述控制单元根据所述交流输入单元的输入电流对所述整流单元进行闭环控制；

所述隔离变压器的原边经由所述多极开关连接所述交流输入单元的输入端，副边连接到所述整流单元，用于对所述交流输入单元的交流输入电压进行隔离和变压。

9.根据权利要求2所述的直流电源电路，其特征在于，所述直流电源电路包括直流母线电容，所述直流母线电容连接在所述直流母线的正极和负极之间。

10.根据权利要求9所述的直流电源电路，其特征在于，所述直流电源电路包括第一熔断器，所述第一熔断器连接在所述整流单元的负输出端和所述直流母线电容的负极之间；所述直流输出单元包括第二熔断器，所述第二熔断器和所述多极开关分别连接在所述直流输出单元的正极和负极。

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