CN219394432U - 自供电驱动电源供电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种自供电驱动电源供电系统，该系统能实现故障状态下为驱动器不间断供电。该系统连接在应用系统的高压直流母线上，输出为驱动器供电，包括母线变换器、储能接口变换器、低压直流母线和驱动电源。本实用新型中母线接口变换器采用输入串联/输出并联的直流变压器组合模块来构建，可靠性较高，可同时实现高效功率变换、“N+1”冗余运行和输入自动均压/输出自动均流。该系统集成了储能单元，其成本较低，可实现开关管驱动器的冗余供电和不间断供电，极大提高了驱动电源供电系统的可靠性。
Description
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种自供电驱动电源供电系统。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代半导体材料的典型代表。相比Si材料，其具有更宽的禁带宽度、更高的饱和电子速度、更高的电子迁移率、更小的介电常数和更好的导电性能，使SiC器件在高频、高压、高温应用场合具有明显优势。近年来，高压SiC-MOSFET(10kV/15kV)发展迅速。相比相同电压等级的Si-IGBT，其开关频率更高、开关速度更快、开关损耗更小，被誉为是下一代中高压功率变换的“规则改变者”。采用高压SiC-MOSFET替代高压Si-IGBT，可极大提高开关频率，实现中高压变流器的紧凑化、小型化、轻量化。
高性能SiC驱动模块，包括驱动器和驱动电源，是充分发挥高压SiC-MOSFET优势的重要保障。其中，驱动电源是SiC驱动模块的能量源，不仅直接影响SiC-MOSFET驱动器的供电可靠性，还间接影响整个换流器的工作可靠性。考虑到高压SiC-MOSFET的高压、高速和高频工作特性，其驱动电源需具有较高的隔离电压、较低的耦合电容和较高的可靠性。
根据供电来源，驱动电源供电系统可分为外供电架构与自供电架构两种。采用外供电架构时，驱动电源的供电来源于外部独立的低压直流母线，使其可独立于中高压变流器工作，简化了启动和关机时序。然而，变流器的最高工作电压不能超过驱动电源的隔离电压，约束了变流器的增压扩容能力。采用自供电架构时，驱动电源的供电来源于变流器内部的分布式高压直流母线，不仅降低了绝缘设计和绝缘配合的难度，还有利于变流器实现模块化增压扩容，相比外供电驱动电源系统具有明显的先进性。
以多只串联的低压开关管代替中压开关管，Chen X等和Modeer T等分别在“Research on a 4000-V ultrahigh-input switched-mode power supply usingseries-connected MOSFETs[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(7):5995–6011.”和“High-voltage tapped-inductor buck converter utilizing anautonomous high-side switch.IEEE Transactions on Industrial Electronics[J],2015,62(5):2868–2878.”中研制了4kV/160V和3kV/100V自供电驱动电源供电系统。然而，串联开关管的动态均压控制难度很大，且任一开关管的开路故障将导致变换器无法运行，容错运行能力差。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种自供电驱动电源供电系统，该系统能实现故障状态下为驱动器不间断供电。
本实用新型采用如下技术方案：
一种自供电驱动电源供电系统，连接在应用系统的高压直流母线上，输出为驱动器供电，包括母线变换器、储能接口变换器、低压直流母线和驱动电源，
所述母线接口变换器包括母线接口控制器和N组直流变压器模块，所述母线接口变换器的N组直流变压器模块采用输入串联/输出并联方式连接在高压直流母线与低压直流母线之间；每组直流变压器模块包括旁路开关、旁路电阻、直流变压器主电路和输出二极管，旁路开关和直流变压器主电路分别与母线接口控制器连接，其中N≥2；
所述驱动电源并联设有M组，每组驱动电源与一个驱动器连接，驱动电源包括驱动电源控制器和驱动电源主电路，其中M≥1；
所述储能接口变换器包括储能单元、储能接口主电路和储能接口控制器，储能单元经储能接口主电路与低压直流母线双向连接，储能接口控制器分别与储能接口主电路和母线接口控制器相连；
当某组直流变压器模块出现故障时，由直流变压器主电路发送故障信号eDCX给母线接口控制器，母线接口控制器控制旁路开关切除故障模块，并把故障信号eDCX发送给储能接口控制器，储能接口控制器控制储能接口主电路向低压直流母线供电并上报故障，实现不间断供电。
进一步地，每组直流变压器模块的输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一组输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一组输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
进一步地，储能接口变换器还设有采样电路，用于采样储能单元反馈的电压信号VES和电流信号iES，并由储能接口控制器控制储能接口主电路充电或放电状态。
进一步地，驱动电源中驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号，并向驱动电源控制器发出的驱动指令，控制驱动电源主电路输出。
进一步地，所述低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
进一步地，所述母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，或隔离型谐振DC-DC变换器；
所述储能接口主电路采用双向DC-DC变换器；
所述驱动电源主电路采用高隔离PWM型变换器，高隔离谐振型DC-DC变换器，或非接触变换器。
进一步地，所述直流变压器主电路采用半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器、LCC谐振型DC-DC变换器、或LLC谐振型DC-DC变换器；
进一步地，所述储能接口主电路采用双向Buck/Boost变换器或双向有源全桥变换器；
进一步地，所述驱动电源主电路采用高隔离半桥PWM DC-DC变换器、高隔离全桥PWM DC-DC变换器、高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器、串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、或并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
进一步地，所述应用系统为模块化多电平变换器、电力电子变压器或级联多电平变换器。
相比于现有技术本实用新型具有如下有益效果：
1.本实用新型所提出的自供电驱动电源供电系统，其绝缘设计难度和绝缘配合难度低，有利于中高压变流器自由增压扩容。
2.本实用新型采用两级式变换架构，具有更灵活的设计自由度，可使自供电驱动电源供电系统在变换效率、功率密度和耦合电容等重要技术指标方面实现全局最优设计。
3.本实用新型中的母线接口变换器采用输入串联/输出并联的直流变压器组合模块来构建，可靠性较高，可同时实现高效功率变换、“N+1”冗余运行和输入自动均压/输出自动均流。
4.本实用新型的自供电驱动电源供电系统集成了小的储能单元，其成本较低，可实现开关管驱动器的冗余供电和不间断供电，极大提高了驱动电源供电系统的可靠性。
附图说明
图1为自供电驱动电源供电系统框图；
图2为自供电驱动电源供电系统架构图；
图3为自供电驱动电源供电系统电路实例图；
图中，o为高压直流母线分裂储能电容中点，也为驱动电源供电系统接地点；Rn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的旁路电阻；SWn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的旁路开关；Dn(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的输出二极管；Qn1和Qn1(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的原边开关管；DRn1和DRn2(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的副边整流二极管；Lfn和Cfn(n＝1,2,…N)分别为第n个直流变压器模块的输出滤波电感和输出滤波电容；Csn1,Csn2,Cpn1和Cpn2(n＝1,2,…N)为第n个直流变压器模块的四个补偿电容；Vbus为低压直流母线电压；eDCX表示DCX故障状态信号；Vdc表示高压直流母线电压；Vinn(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输入电压；Ion(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输出电流；Vom(m＝1,2,…M)表示第m个驱动电源的输出电压。
具体实施方式
实施例一：
本实用新型的自供电驱动电源供电系统，如图1所示，连接在应用系统的高压直流母线上，输出为驱动器供电，包括母线接口变换器、储能接口变换器、低压直流母线和驱动电源，应用系统为模块化多电平变换器、电力电子变压器或级联多电平变换器为驱动器供电情形。该供电系统中，储能接口变换器为ESIC(Energy Storage InterfacedConverter)；母线接口变换器为BIC(Bus InterfacedConverter)；直流变压器为DCX(DCTransformer)；
母线接口变换器包括母线接口控制器和N组直流变压器模块，母线接口变换器的N组直流变压器模块采用输入串联/输出并联方式连接在高压直流母线与低压直流母线之间；每组直流变压器模块包括旁路开关、旁路电阻、直流变压器主电路和输出二极管，旁路开关和直流变压器主电路分别与母线接口控制器连接，其中N≥2；
驱动电源并联设有M组，每组驱动电源与一个驱动器连接，驱动电源包括驱动电源控制器和驱动电源主电路，其中M≥1；
储能接口变换器包括储能单元、储能接口主电路和储能接口控制器，储能单元经储能接口主电路与低压直流母线双向连接，储能接口控制器分别与储能接口主电路和母线接口控制器相连；
当某组直流变压器模块出现故障时，由直流变压器主电路发送故障信号给母线接口控制器，母线接口控制器控制旁路开关切除故障模块，并把故障信号发送给储能接口控制器，储能接口控制器控制储能接口主电路向低压直流母线供电并上报故障，实现不间断供电。
实施例二：
本实施例的进一步可选设计在于：如图1所示，每组直流变压器模块的输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一组输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一组输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
储能接口变换器还设有采样电路，用于采样储能单元反馈的电压信号VES、电流信号iES，由储能接口控制器控制储能接口主电路充电或放电状态。
驱动电源中驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号，并向驱动电源控制器发出的驱动指令，控制驱动电源主电路输出。
低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
实施例三：
本实施例的进一步可选设计在于：
母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，或隔离型谐振DC-DC变换器；储能接口主电路采用双向DC-DC变换器；驱动电源主电路采用高隔离PWM型变换器，高隔离谐振型DC-DC变换器，或非接触变换器。
直流变压器主电路采用半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器、LCC谐振型DC-DC变换器、或LLC谐振型DC-DC变换器；储能接口主电路采用双向Buck/Boost变换器或双向有源全桥变换器.
驱动电源主电路采用高隔离半桥PWM DC-DC变换器、高隔离全桥PWM DC-DC变换器、高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器、串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、或并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
实施例四：
本例对本实用新型自供电驱动电源供电系统架构进行分析，如图2所示，该供电系统由母线接口变换器、储能接口变换器、驱动电源、低压直流母线四部分组成。其中，母线接口变换器和储能接口变换器分别由高压直流母线和储能单元供电，输出均连接于低压直流母线；M路驱动电源均由低压直流母线供电，输出连接于M路开关管驱动器。母线接口变换器由输入串联/输出并联的多个直流变压器模块组成，可自动实现输入电压自均衡和输出电流自均衡，既降低了各模块的开关管电压应力，又省去了负载的均压/均流控制。
图3为本实用新型中所提出的自供电驱动电源供电系统的实例图。图3中，母线接口变换器中直流变压器模块采用谐振型DC-DC变换器，储能接口变换器采用可双向功率传输的Boost/Buck变换器，驱动电源采用半桥PWMDC-DC变换器。需要特别说明的是，直流变压器模块的原边电路其原边电路采用对称半桥结构，副边电路采用全波整流结构，变压器采用串-串并型全容补偿；每路直流变压器内有4个补偿电容，包括：Csn1,Csn2,Cpn1和Cpn2(n＝1～N)，用来补偿变压器的漏感和自感，并调整原边桥臂电压基波分量和原边谐振电流基波分量的相位；Csn1(n＝1～N)的一端连接于原边开关管Qn1和Qn2(n＝1～N)的中点，另一端连接于变压器原边绕组的同名端；Csn2,Cpn1和Cpn2(n＝1～N)的一端均连接于副边输出滤波电容Cfn(n＝1～N)的阴极，另一端分别连接于变压器副边绕组的中心抽头点、整流二极管DRn1(n＝1～N)的阳极和整流二极管DRn2(n＝1～N)的阳极。Vbus为低压直流母线电压；eDCX表示故障状态信号；母线接口变换器输入电压中，Vinn(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输入电压；母线接口变换器输出电流中，Ion(n＝1,2,…N)表示第n个直流变压器模块输出电流；Vom(m＝1,2,…M)表示第m个驱动电源的输出电压。
Claims (10)
1.一种自供电驱动电源供电系统，连接在应用系统的高压直流母线上，输出为驱动器供电，其特征在于，包括母线接口变换器、储能接口变换器、低压直流母线和驱动电源，
所述母线接口变换器包括母线接口控制器和N组直流变压器模块，所述母线接口变换器的N组直流变压器模块采用输入串联/输出并联方式连接在高压直流母线与低压直流母线之间；每组直流变压器模块包括旁路开关、旁路电阻、直流变压器主电路和输出二极管，旁路开关和直流变压器主电路分别与母线接口控制器连接，其中N≥2；
所述驱动电源并联设有M组，每组驱动电源与一个驱动器连接，驱动电源包括驱动电源控制器和驱动电源主电路，其中M≥1；
所述储能接口变换器包括储能单元、储能接口主电路和储能接口控制器，储能单元经储能接口主电路与低压直流母线双向连接，储能接口控制器分别与储能接口主电路和母线接口控制器相连；
当某组直流变压器模块出现故障时，由直流变压器主电路发送故障信号给母线接口控制器，母线接口控制器控制旁路开关切除故障模块，并把故障信号发送给储能接口控制器，储能接口控制器控制储能接口主电路向低压直流母线供电并上报故障，实现不间断供电。
2.根据权利要求1所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：每组直流变压器模块的输入分别与旁路电阻和直流变压器主电路一组输入端连接，旁路电阻与旁路开关先串联再并联于直流变压器主电路的另一组输入端，输出与二极管串联后连接于低压直流母线之间；母线接口控制器分别与直流变压器主电路和旁路开关相连，母线接口控制器还根据接收的信号，输出旁路开关的驱动指令和直流变压器主电路的驱动信号。
3.根据权利要求1所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：储能接口变换器还设有采样电路，用于采样储能单元反馈的电压信号VES和电流信号iES，并由储能接口控制器控制储能接口主电路充电或放电状态。
4.根据权利要求1所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：驱动电源中驱动电源控制器接收驱动电源主电路反馈的电压采压信号，并向驱动电源控制器发出的驱动指令，控制驱动电源主电路输出。
5.根据权利要求1所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述低压直流母线的负端与系统内高压直流母线分裂电容的中点相连，以保证自供电驱动电源供电系统内各点均具有确定电位。
6.根据权利要求1～5任一所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述母线接口变换器中的直流变压器主电路采用隔离型PWMDC-DC变换器，或隔离型谐振DC-DC变换器；
所述储能接口主电路采用双向DC-DC变换器；
所述驱动电源主电路采用高隔离PWM型变换器，高隔离谐振型DC-DC变换器，或非接触变换器。
7.根据权利要求6所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述直流变压器主电路采用半桥PWMDC-DC变换器、全桥PWMDC-DC变换器、LCC谐振型DC-DC变换器、或LLC谐振型DC-DC变换器。
8.根据权利要求6所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述储能接口主电路采用双向Buck/Boost变换器或双向有源全桥变换器。
9.根据权利要求6所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述驱动电源主电路采用高隔离半桥PWMDC-DC变换器、高隔离全桥PWMDC-DC变换器、高隔离LCC谐振型DC-DC变换器、高隔离LLC谐振型DC-DC变换器、串联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器、或并联-串联补偿的非接触谐振型DC-DC变换器。
10.根据权利要求1所述的自供电驱动电源供电系统，其特征在于：所述应用系统为模块化多电平变换器、电力电子变压器或级联多电平变换器为驱动器供电情形。
Priority Applications (1)
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| CN202320384657.7U CN219394432U (zh) | 2023-03-05 | 2023-03-05 | 自供电驱动电源供电系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN219394432U true CN219394432U (zh) | 2023-07-21 |
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Family Applications (1)
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| CN202320384657.7U Active CN219394432U (zh) | 2023-03-05 | 2023-03-05 | 自供电驱动电源供电系统 |
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