CN214205366U

CN214205366U - 一种h桥快控电源以及应用该电源的电子装置

Info

Publication number: CN214205366U
Application number: CN202120372274.9U
Authority: CN
Inventors: 熊义勇; 赵镜红; 吴旭升; 孙兆龙; 孙盼; 高键鑫; 陈瀚斯; 李尚宇
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2031-02-10

Abstract

本实用新型公开了一种H桥快控电源以及应用该电源的电子装置，该电源包括供能器件及与供能器件的输出端相连的至少两路H桥输出总路；每路H桥输出总路包含移相变压器和四个集成功率器件；第一个集成功率器件的正输出端跨接第二个集成功率器件的负输出端形成一供电支路，第三个集成功率器件的正输出端跨接第四个集成功率器件的负输出端形成另一供电支路；第一个集成功率器件的负输出端连接第三个集成功率器件的负输出端形成两路供电支路的负输出；第二个集成功率器件的正输出端连接第四个集成功率器件的正输出端形成两路供电支路的正输出；本实用新型采用多路H桥输出总路级联的方式，使快控电源满足外部负载的额定电压需求，且实现四象限运行。

Description

一种H桥快控电源以及应用该电源的电子装置

技术领域

本实用新型属于电力电子应用技术领域，更具体地，涉及一种H桥快控电源及其应用，特别应用于受控核聚变托卡马克装置。

背景技术

H桥快控电源属于快响应大电流逆变器，普遍应用于受控核聚变托卡马克装置的电源控制。现有的H桥快控电源普遍为三象限运行，如申请公告号为CN 108173436A的专利文件“一种基于H桥子模块的MMC结构的快控电源系统”、以及申请公告号为CN 106787929A的专利文件“一种快控电源系统及控制方法”，其所提供的电源仅能运行在三象限，目前对于可四象限运行的电源较少，且功率无法满足额定电压为±1000V、额定电流为±4kA的要求。

四象限运行的电源一方面可以实现能量的双向流动，另一方面在大功率运行的时候，对电网的污染小。因此，有必要开发一种可四象限运行的快控电源，来提高电源的工作效率，并降低对电网的污染。

实用新型内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种H桥快控电源以及应用该电源的电子装置。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种H桥快控电源，其包括供能器件，以及分别与所述供能器件的输出端相连的至少两路H桥输出总路；

对于任一路所述H桥输出总路，均包含有多绕组移相变压器和四个集成功率器件；所述多绕组移相变压器的原边从供能器件取电，其副边具有四个输出端子来分别连接四个所述集成功率器件，

其中，第一个集成功率器件的正输出端子跨接至第二个集成功率器件的负输出端子形成一供电支路，第三个集成功率器件的正输出端子跨接至第四个集成功率器件的负输出端子形成另一供电支路；

第一个集成功率器件的负输出端子连接第三个集成功率器件的负输出端子形成两路供电支路的负输出，作为该路H桥输出总路的负输出端；第二个集成功率器件的正输出端子连接第四个集成功率器件的正输出端子形成两路供电支路的正输出，作为该路H桥输出总路的正输出端；

各路H桥输出总路的正、负输出端各自级联后用于向外部负载供电。

优选的，上述H桥快控电源中，每个所述集成功率器件包括变流单元和H桥功率模块，所述变流单元的输入端连接多绕组移相变压器的副边，输出端连接H桥功率模块的输入；所述H桥功率模块的输出构成集成功率器件的正、负输出端子。

优选的，上述H桥快控电源中，任一路H桥输出总路中的四个集成功率器件的输出在多绕组移相变压器的控制下逐一移相且相邻两个集成功率器件之间的相移角相同。

优选的，上述H桥快控电源中，所述相移角为15°。

优选的，上述H桥快控电源中，任一路H桥输出总路中的两个供电支路的正输出端分别串联有相同的均流电抗器。

优选的，上述H桥快控电源中，任一路H桥输出总路中的每一个供电支路的输出端之间均跨接有结构相同的滤波支路，所述滤波支路由电容串联电阻而成。

优选的，上述H桥快控电源中，所述供能器件的输出端与每一路H桥输出总路之间均设置有三相电控开关；

供能器件的每路输出经所述三相电控开关供能给对应的H桥输出总路，且每路输出均配置有由电容组构成的预充电支路实施预充电。

优选的，上述H桥快控电源中，每个所述集成功率器件中的变流单元的输出端均跨接电容进行滤波。

优选的，上述H桥快控电源中，每个所述集成功率器件中的变流单元的输出端均跨接能量泄放回路实现快速制动。

优选的，上述H桥快控电源中，对于任一路H桥输出总路，其四个H桥功率模块采用电压外环电流内环的双闭环控制方式，其中电流内环用于分电流控制，电压外环用于控制电源输出的总电压。

按照本实用新型的另一个方面，还提供了一种电子装置，其包括上述任一项所述的H桥快控电源。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本实用新型提供的H桥快控电源以及应用该电源的电子装置，通过为供能器件的多路输出各配置一路H桥输出总路，每路H桥输出总路中分别包括多绕组移相变压器和四个集成功率器件，其中的每两个集成功率器件形成一个供电电路，且两个供电电路级联连接后形成该路H桥输出总路的正、负输出端；在任一路H桥输出总路中，四个集成功率器件的输出在多绕组移相变压器的控制下逐一移相且相邻两个集成功率器件之间的相移角相同，实现四象限运行；各路H桥输出总路的正、负输出端各自级联后用于向外部负载供电，采用多路H桥输出总路级联的运行方式，使H桥快控电源可满足额定电压为±1000V、额定电流为±4kA的高输出。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的逻辑框图；

图2示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的主电路电气拓扑图；

图3示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的电压控制原理图；

图4示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的电流控制原理图；

图5示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的三角波目标电流控制仿真波形的全局图；

图6示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的三角波目标电流控制仿真波形的局部放大图；

图7示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的正弦波目标电流控制仿真波形的全局图；

图8示出了本实用新型实施例提供的H桥快控电源的正弦波目标电流控制仿真波形的局部放大图。

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。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的H桥快控电源的逻辑框图，参见图1，该H桥快控电源包括供能器件，以及分别与供能器件的输出端相连的至少两路H桥输出总路；

本实用新型中的供能器件为能够为H桥输出总路提供电能，或者将其他自然能转换为电能为H桥输出总路供电的器件装置；在一个具体示例中，供能器件可采用脉冲发电机；脉冲发电机的功率参数以及H桥输出总路的路数主要取决于外部负载所需的额定电压、额定电流，本实施例不做具体限制，一般来说，脉冲发电机的功率参数以及H桥输出总路的路数随着外部负载所需的额定电压的增大而增加。

对于任一路H桥输出总路，均包含有多绕组移相变压器和四个集成功率器件；多绕组移相变压器的原边从供能器件取电，其副边连接四个集成功率器件，

其中，第一个集成功率器件的正输出端子跨接至第二个集成功率器件的负输出端子形成一供电支路，第三个集成功率器件的正输出端子跨接至第四个集成功率器件的负输出端子形成另一供电支路；第一个集成功率器件的负输出端子连接第三个集成功率器件的负输出端子形成两路供电支路的负输出，作为该路H桥输出总路的负输出端；第二个集成功率器件的正输出端子连接第四个集成功率器件的正输出端子形成两路供电支路的正输出，作为该路H桥输出总路的正输出端；

在任一路H桥输出总路中，四个集成功率器件的输出在多绕组移相变压器的控制下逐一移相且相邻两个集成功率器件之间的相移角相同，实现四象限运行，该相移角的大小不做具体限制；各路H桥输出总路的正、负输出端各自级联后用于向外部负载供电。

在一个可选的实施例中，每个集成功率器件包括变流单元和H桥功率模块，变流单元的输入端连接多绕组移相变压器的副边，输出端连接H桥功率模块的输入；H桥功率模块的输出构成集成功率器件的正、负输出端子。

下面以可满足额定电压为±1000V、额定电流为±4kA的H桥快控电源为例进行说明；图2是本示例提供的H桥快控电源的主电路电气拓扑图，参见图2，该H桥快控电源包括脉冲发电机、两路H桥输出总路A、B，脉冲发电机的功率为300MVA，其具有两路相同的输出，两路输出分别供能给两路H桥输出总路A、B。

所述H桥输出总路A包含有多绕组移相变压器T1、四个变流单元UT1～UT4以及四个H桥功率模块VH1～VH4，多绕组移相变压器T1的原边从脉冲发电机的其中一路输出取电，其副边具有四个输出端子来分别连接四个变流单元UT1～UT4，而四个H桥功率模块VH1～VH4则分别连接于四个变流单元UT1～UT4的输出端。

具体而言，H桥功率模块VH1的正输出端跨接至H桥功率模块VH2的负输出端形成一供电支路，H桥功率模块VH3的正输出端跨接至H桥功率模块VH4的负输出端形成另一供电支路；H桥功率模块VH1的负输出端连接H桥功率模块VH3的负输出端形成两路供电支路的负输出端，作为H桥输出总路A的负输出；H桥功率模块VH2的正输出端连接H桥功率模块VH4的正输出端形成两路供电支路的正输出端，作为H桥输出总路A的正输出。

所述H桥输出总路B的电路结构与H桥输出总路A相同，此处不再赘述。其中为便于理解，H桥输出总路B中，多绕组移相变压器标记为T2，四个变流单元标记为UT5～UT8，四个H桥功率模块VH5～VH8。

将两路H桥输出总路A、B的输出端级联连接形成H桥快控电源的对外输出端，用于向外部负载供电。

本示例中，通过多绕组移相变压器T1控制变流单元UT1、UT2、UT3、UT4之间相移角为15°，从而组成等效24脉波电源，降低配电系统谐波含量、增强系统整体的电磁兼容能力，同理，变流单元UT5、UT6、UT7、UT8之间相移角也为15°。

作为一个优选的示例，每一路供电支路的正输出端均串联有0.25mH均流电抗器，以此确保电路均流效果，并控制电路协调控制使其4路供电支路的电流平衡。进一步地，为去除高频毛刺，每一路供电支路的输出端之间均跨接有结构相同的高频滤波支路，在一个可选的示例中，该高频滤波支路由电容串联电阻而成。

作为一个优选的示例，为实现断电控制，脉冲发电机的两路输出分别经三相电控开关K1、K2供能给两路H桥输出总路A、B，且每路输出均配置有由电容组构成的预充电支路C1、C2实施预充电。此外，每个变流单元的输出端均跨接电容进行滤波，此外还跨接由IGBT、二极管、电阻构成的能量泄放回路实现快速制动。

本实施例选用300MVA脉冲发电机，配合每个H桥功率模块中的功率管均为1700V/2400A的IGBT管，可实现每路供电支路的±1000V/±1500A输出，四路供电支路级联后，H桥快控电源可满足额定电压为±1000V、额定电流为±4kA，且实现四象限运行。

本实施例提供的H桥快控电源的控制系统框图如图3、图4所示，本实施例采用电压外环电流内环的双闭环控制方式，电流内环为分电流控制，电压外环用于精确控制电源输出的总电压(因输出实际为PWM调制波，实际控制的是总电压的平均值)。

具体而言，如图3所示，当控制目标为H桥快控电源输出的电压时，将总电压的目标值Udc_ref与高频滤波后总电压的反馈值Udc_out的误差经PI(比例积分)调节器输出作为内环分电流的统一指令值Idc_ref，H桥快控电源内部各供电支路的实际电流采样反馈值与指令值Idc_ref的差值经PI调节器调节后得到各自的调制波信号，该调制波信号与三角载波比较得到PWM脉冲信号来实现对各H桥功率模块的控制。

如图4所示，当控制目标为H桥快控电源输出的电流时，将输出电流目标值Idc*的四分之大小作为电源内部各供电支路的电流控制指令Idc_ref，各供电支路的实际电流采样反馈值与指令值Idc_ref的差值经PI调节器调节后得到各自的调制波信号，该调制波信号与三角载波比较得到PWM脉冲信号来实现对各H桥功率模块的控制。

图5、图6为本实施例提供的三角波电流控制仿真波形，图中的横轴为时间轴，单位为秒，垂直轴为电流轴(单位为A)或电压轴(单位为V)，电流控制目标为H桥快控电源的输出总电流峰峰值为12kA，周期为0.1s的三角波周期性电流。

其中，Idc_demand为总输出目标电流波形，i_load为实际控制输出电流波形。从0时刻开始控制启动，从波形图可知，实际输出电流跟踪上给定目标电流的时间在0.009s左右，亦即电流响应时间为9ms左右，Id11、id12、id21、id22依次为四个供电支路的输出波形。

Udc11L与Udc11LU为任意选取的两个H桥中间直流电压，I(L_PF7L)与I(L_PF7U)为PF7上下线圈的电流波形(电流的均值按图4给出的PF7线圈典型的电流波形，由辅助电源控制形成)。

图7、图8为正弦波目标电流控制情况示意图，电流控制目标为H桥快控电源的输出总电流幅值为6kA，周期为0.1s的正弦波周期性电流。从图中可以看出H桥快控电源中的四个供电支路的输出波形一致性较好。

本实施例提供的H桥快控电源的工作参数：

1)快控电源的工作方式为脉冲间歇式，脉冲工作时间不超过10s，两次脉冲间隔约10分钟，每天运行10小时，一年运行6个月；

2)交流输入为取自3000V的双Y移相30°的交流脉冲发电机组；

3)额定电压为±1000V，额定电流为±4kA，四象限运行；

4)负载阻抗值：7.3479mH、7.563moh，周期性工作：通电10s，间隙10分钟。

本实施例提供的H桥快控电源，可通过调整H桥输出总路的路数，或者脉冲发电机、H桥功率模块的参数等实现不同等级的电能输出，从而为各种不同电子设备提供电能。在一个典型的应用场景中，本实施例提供的满足额定电压为±1000V、额定电流为±4kA、实现四象限运行的H桥快控电源可应用于受控核聚变托卡马克装置的电源控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种H桥快控电源，其特征在于，包括供能器件，以及分别与所述供能器件的输出端相连的至少两路H桥输出总路；

对于任一路所述H桥输出总路，均包含有多绕组移相变压器和四个集成功率器件；所述多绕组移相变压器的原边从供能器件取电，其副边连接四个所述集成功率器件，

在任一路H桥输出总路中，四个集成功率器件的输出在多绕组移相变压器的控制下逐一移相且相邻两个集成功率器件之间的相移角相同；各路H桥输出总路的正、负输出端各自级联后用于向外部负载供电。

2.如权利要求1所述的H桥快控电源，其特征在于，每个所述集成功率器件包括变流单元和H桥功率模块，所述变流单元的输入端连接多绕组移相变压器的副边，输出端连接H桥功率模块的输入；所述H桥功率模块的输出构成集成功率器件的正、负输出端子。

3.如权利要求1所述的H桥快控电源，其特征在于，所述相移角为15°。

4.如权利要求1所述的H桥快控电源，其特征在于，在任一路H桥输出总路中，两个供电支路的正输出端分别串联有均流电抗器。

5.如权利要求1所述的H桥快控电源，其特征在于，在任一路H桥输出总路中，两个供电支路的输出端之间均跨接有结构相同的滤波支路，所述滤波支路由电容串联电阻而成。

6.如权利要求1所述的H桥快控电源，其特征在于，所述供能器件的输出端与每一路H桥输出总路之间均设置有三相电控开关；

7.如权利要求2所述的H桥快控电源，其特征在于，每个所述集成功率器件中的变流单元的输出端均跨接电容进行滤波。

8.如权利要求7所述的H桥快控电源，其特征在于，每个所述集成功率器件中的变流单元的输出端均跨接能量泄放回路实现快速制动。

9.如权利要求2所述的H桥快控电源，其特征在于，任一路H桥输出总路中的四个H桥功率模块采用电压外环、电流内环的双闭环控制方式，其中，电流内环用于分电流控制，电压外环用于控制电源输出的总电压。

10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的H桥快控电源。