TWI542126B - 主動多路隔離的輸出電源 - Google Patents

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Description

主動多路隔離的輸出電源
本發明涉及一種電力電子技術中使用的多路直流輸出電源，尤其涉及一種適用於高電壓和大功率等場合應用的主動多路隔離的輸出電源。
電力電子技術的迅猛發展，使得主動多路隔離的輸出電源裝置的應用越來越廣泛。例如，主動電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)是一種用於動態抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置。它能夠對大小和頻率都發生變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，之所以稱為主動，顧名思義該裝置需要提供高電壓和大功率的多路隔離輸出電源。
請參閱圖1，圖1為習知技術中的多路隔離輸出電源的電路示意圖。如圖所示，通常情況下，在多路隔離輸出電源的原邊電路側，由全橋電路、半橋電路、正激電路、反激電路或其他一些電路將交流電源提供到輸入端AB，各路變壓器T1~Tn的原邊側輸入端AB直接並聯在交流電源輸入端；而在多路隔離輸出電源的副邊電路側，每個變壓器T1~Tn隔離輸出端輸出的交流電，經過整流裝置整流後得到直流電源，以供所連接的多路負載供電。
然而，由於隔離變壓器T1~Tn在原邊電路側均為直接並聯連接，且各路變壓器T1~Tn副邊側所承載的負載大小不同，因此，這種連接方式會使各隔離變壓器T1~Tn原邊側電路之間相互產生環流。此環流會使該隔離變壓器T1~Tn產生磁偏，如果該磁偏量達到一定的閾值，就會造成隔離變壓器T1~Tn的飽和。因此，為了防止隔離變壓器T1~Tn飽和，即確保在任何情況下磁偏不會造成隔離變壓器T1~Tn飽和，隔離變壓器 T1~Tn需要增加設計餘量。
下面通過圖2和圖3具體解釋一下磁偏是怎樣產生的。需要說明的是，為敍述方便起見，圖中變壓器的數量僅為兩個，即第一變壓器T1和第二變壓器T2。
請參閱圖2，圖2為習知技術中採用主動多路隔離輸出電源電路中的兩個變壓器T1和T2原邊側直接並聯的等效電路圖。其中，Lm1和Lm2為並聯變壓器T1和T2的等效激磁電感，Vo1和Vo2為變壓器T1和T2副邊側經整流後的直流電壓；在隔離變壓器T1和T2副邊側分別串接的一個開關元件(即二極體D1和D2)以及分別並接於主動多路隔離輸出電源的兩個輸出端的電容C1和C2。
請參閱圖3，圖3為圖2所示電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖。如圖所示，VAB是載入在AB端的交流電壓波形。在t0~t1時間段內，VAB是正電壓，同時變壓器T1和T2原邊側的電流波形理論上為iT所示，即為正向三角波。其中，由於激磁電感的存在，兩個變壓器T1和T2原邊側的電流波形包含激磁電流成分iLm(iLm1和iLm2)，電流iT和iLm1兩者之差為向第一變壓器副邊側導通的電流，電流iT和iLm2兩者之差為向第二變壓器副邊側導通的電流。在t1時刻，VAB電壓突然從正向變為負向，分別向第一變壓器T1和第二變壓器T2副邊側導通的電流會突然截止，但由於電磁電流iLm(iLm1和iLm2)不能突變，在t1~t2時刻，激磁電流iLm(iLm1和iLm2)會慢慢降低直到為零，同時VAB電壓歸零。在這種情況下，如果VAB的正向面積和負向面積相等，也即滿足電磁學中的伏秒平衡，這樣變壓器T1和T2原邊側的激磁電流iLm(iLm1和iLm2)才可以歸零，其磁芯才能激磁復位，不會產生飽和。
然而，從圖中可以看出，兩個變壓器T1和T2在原邊側是直接並聯在一起的，由於這兩個變壓器T1和T2在副邊側的輸出負載可能不同，造成Vo1和Vo2的大小略有區別，這時會造成變壓器激磁電流上升斜率的不一致，如圖3中的iLm1和iLm2所示，而在電壓變負後，即在t1~t2時刻點，兩電流iLm1和iLm2又以各自的下降速率下降，直到兩者電流之和變為零(即圖中t2~t3時刻)，以及VAB歸零。但在圖中t2~t3時刻，無 論iLm1還是iLm2，都沒有歸零，且電流iLm2已反向為負，因此，在兩個變壓器T1和T2原邊側電路中相互間形成了環流。更為糟糕的是，在下一個週期(即圖中t3~t4時刻)以及之後，iLm1和iLm2會越來越發散，直到失控。經過幾個週期變大的電流，致使磁芯中的磁通變大直到磁芯飽和。為了防止這種現象的發生，傳統的做法為將變壓器T1和T2的體積做得很大，以便有很大的磁芯飽和餘量，即使在激磁電流和偏磁很大的情況下，其磁芯也不會飽和。
因此，如何避免電源隔離變壓器原邊側的環流所導致的變壓器飽和，且使變壓器及整個電源體積更小、重量更輕便，實為目前迫切需要解決的課題。
鑒於多路隔離的輸出電源原邊側的環流導致變壓器的磁芯飽和，存在變壓器的體積和重量增加的不足，本發明通過固定變壓器原邊側的電流方向，以致各變壓器間不會因負載的不同產生相互的環流，每個變壓器都可在一個工作週期內完好復位，因此變壓器設計時不需要考慮餘量，使變壓器的體積可以設計的很小。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種主動多路隔離的輸出電源，包括：連接交流母線的輸出端且原邊側電路相互並聯的N個變壓器T1~Tn；其中，N為大於等於2的正整數；還包括：N或N-1個開關元件S1~Sn或S1~Sn-1，分別串聯於N個變壓器T1~Tn的不同原邊側電路中，以限制該變壓器T1~Tn原邊側電路的電流流通方向；其中，該變壓器T1~Tn的副邊側產生相互隔離的N路輸出電源。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn的副邊側還包括整流電路，該整流電路對N路輸出電源進行整流以產生相互隔離的N路直流電源。
根據本發明的構想，該交流母線所產生的交流電通過推挽電路、正激電路、反激電路或斬波電路串聯隔直電路形成的電路產生。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn副邊側整流電路為半波整流、全波整流或同步整流線路。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn原邊側的開關元件S1~Sn或S1~Sn-1為二極體。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn原邊側的開關元件S1~Sn或S1~Sn-1為MOSFET，MOSFET由控制單元控制其通斷。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn原邊側的開關元件S1~Sn或S1~Sn-1為IGBT，IGBT由控制單元控制其通斷。
根據本發明的構想，該變壓器T1~Tn原邊側的開關元件S1~Sn或S1~Sn-1為繼電器。
為實現上述目的，本發明又一技術方案如下：一種主動電力濾波器，包括主功率電路，該主功率電路包括M組開關元件K1~Km以及其配套的驅動電路，其中，M為大於等於2的正整數；還包括：上述本發明的主動多路隔離的輸出電源，輸出電源的輸入端接收電網側的交流電源，給驅動電路供電。
根據本發明的構想，該開關元件K1~Km為IGBT或MOSFET。
根據本發明的構想，該主動多路隔離輸出電源的變壓器原邊側串接的開關元件為二極體；變壓器副邊側的整流電路為半週期不控整流電路。
從上述技術方案可以看出，所提供的主動多路隔離輸出電源中的隔離變壓器T1~Tn原邊側電路沒有直接並聯連接，而是分別串聯了N個開關元件S1~Sn或N-1個開關元件S1~Sn-1，這些開關元件S1~Sn或S1~Sn-1可以限制電流的流通方向。這樣，任意一路變壓器T1~Tn原邊側的電流方向都是固定的，不會產生相互的環流。也就是說，每個變壓器T1~Tn都可以在一個工作週期內完好復位。在進行主動多路隔離輸出電源電路的變壓器T1~Tn設計時，不需要考慮為防止激磁電流發散致使的磁芯出現飽和而留有的設計餘量，每個磁芯的體積較小。結果顯示，本發明所使用的變壓器比習知技術所採用變壓器的體積可以減少70%。與其他形式的主動 多路隔離輸出電源電路相比，在輸出功率、電源性能和輸出路數相等的情況下，本發明的主動多路隔離輸出電源電路具有體積小、重量輕、效率高、可靠性高等顯著優點。
A、B‧‧‧輸入端
C1、C2‧‧‧電容
D1、D2‧‧‧二極體
iT‧‧‧電流
iLm、Lm1~Lm2‧‧‧激磁電流
S1~Sn‧‧‧開關元件
T1~Tn‧‧‧變壓器
VAB‧‧‧電壓
Vo1、Vo2‧‧‧電壓
圖1為習知技術中採用主動多路隔離輸出電源的電路示意圖；圖2為習知技術中採用主動多路隔離輸出電源電路中的兩個變壓器原邊側直接並聯的等效電路圖；圖3為圖2所示電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖；圖4.1為本發明主動多路隔離輸出電源一優選實施例的電路示意圖；圖4.2為本發明主動多路隔離輸出電源又一優選實施例的電路示意圖；圖5為本發明實施例中主動兩路隔離輸出電源電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖；圖6為本發明主動多路隔離輸出電源電路應用於APF系統中的一優選實施例的電路示意圖；以及圖7為本發明多路隔離輸出電源應用於APF中的一組驅動電路局部示意圖。
體現本發明特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敍述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本發明。
上述及其它技術特徵和有益效果，下面將結合優選實施例及附圖4至圖7對本發明主動多路隔離輸出電源電路進行詳細說明。本發明 的主動多路隔離輸出電源電路可以包括多個變壓器T1~Tn，且多個變壓器T1~Tn可以分別承載不同的負載。
請參閱圖4.1，圖4.1為本發明主動多路隔離輸出電源一優選實施例的電路示意圖。如圖所示，本實施例的多路輸出隔離電源主要由連接交流母線輸出端且原邊側電路相互並聯的多個變壓器T1~Tn組成，其中，N為大於等於2的正整數。該交流母線所產生的交流電由推挽電路、正激電路、反激電路或斬波電路串聯隔直電路形成的電路產生。
為了限制變壓器T1~Tn各原邊側電路的電流流通方向，在本發明一優化實施例中，與多個變壓器T1~Tn數目相同的多個開關元件S1~Sn分別串聯於多路變壓器T1~Tn原邊側電路中，例如，以N等於2為例，兩個變壓器T1和T2的原邊側電路分別串聯了一個開關元件S1或S2。
在本發明的其他實施例中，多路變壓器T1~Tn各原邊側電路還可以包括N-1個開關元件S1~Sn-1，也就是說，N-1個開關元件S1~Sn-1分別串接於變壓器T1~Tn的N-1路原邊側電路中，有一路變壓器T1~Tn的原邊側電路沒有串接開關元件，同樣能達到限制電流的流通方向的目的。
請參閱圖4.2，圖4.2為本發明主動多路隔離輸出電源又一優選實施例的電路示意圖。如圖所示，在變壓器T1的原邊側電路中沒有串接開關元件S1，N-1個開關元件S2~Sn分別串接於變壓器T2~Tn的N-1路原邊側電路中。以N等於2為例，如果變壓器T1的原邊側沒有串聯一個開關元件S1，變壓器T2的原邊側串聯了一個開關元件S2，同樣，由於該開關元件S2的存在，任何一路激磁電流(無論iLm1還是iLm2)都不能出現負值的情況，即每路激磁電流都被強迫歸零。
變壓器T1~Tn原邊側電路中的開關元件S1~Sn可以是二極體、可控矽整流器(Silicon-Controlled Rectifier，簡稱SCR)、雙向閘流管開關(The triode AC switch，簡稱TRIAC)、絕緣柵雙載流子電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)、金屬氧化物半導體電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET)、繼電器、可編程單接合電晶體(Programmable Unijunction Transistor，簡稱PUT)等任何可阻斷電路的元件。
具體地說，二極體適用於簡單電路，不需要增加其他控制元件；MOSFET元件由於其導通壓降較小，適用於大電流場合，但需要增加額外的控制元件；IGBT耐壓較高，較適用於高壓場合，也需要增加額外的控制元件；繼電器是機械操作，比較適用於低頻操作場合。
另外，變壓器T1~Tn的副邊側具有整流電路以產生相互隔離的多路直流電源，變壓器T1~Tn副邊側的整流電路可以為半波整流、全波整流、同步整流等任意整流線路。
以下將以兩路隔離輸出電源電路進行工作原理分析，但不以此為限。
請參閱圖5，圖5為本發明實施例中主動多路隔離輸出電源電路在具有兩個不同負載情況下的環流分析示意圖。與圖3中相同，圖5中的VAB同樣為變壓器T1和T2原邊側輸入端電壓AB，iLm1和iLm2為並聯變壓器T1和T2的等效激磁電感，Vo1和Vo2為變壓器T1和T2副邊側經整流後的直流電壓。所不同的是，本發明實施例中的兩路變壓器T1和T2的原邊側電路中分別串聯了一個開關元件S1或S2，在這種情況下，交流母線電網側的電壓VAB並沒有直接載入在變壓器T1和T2兩端。
如圖5所示，VAB是載入在AB端的交流電壓波形。由於兩個變壓器T1和T2輸出端負載的不一致，會造成輸出電壓的區別，同樣會造成在t0~t1時間端激磁電流iLm1和iLm2上升不一致，而在t1~t3時刻，激磁電流iLm1和iLm2又以各自的下降斜率下降。具體地說，在t0~t1時間段內，VAB是正電壓，同時兩個變壓器T1和T2原邊側的電流波形理論上為iT所示，即為正向三角波。其中，由於激磁電感的存在，兩個變壓器T1和T2原邊側的電流波形包含激磁電流成分iLm(iLm1或iLm2)，電流iT和iLm1兩者之差為向第一變壓器副邊側導通的電流，電流iT和iLm2兩者之差為向第二變壓器副邊側導通的電流。
在t1時刻，VAB電壓突然從正向變為負向，向副邊側導通的電流會突然截止，但由於激磁電流iLm1或iLm2不能突變，在t1~t3時刻，激磁電流iLm(iLm1或iLm2)會慢慢降低直到為零，即在t2時刻，激磁電流iLm1為零，在t3時刻，激磁電流iLm2為零，同時VAB電壓歸 零。也就是說，採用本發明的具有主動多路隔離輸出電源電路，由於兩個變壓器T1和T2原邊側電路中均分別串聯有一個開關元件S1或S2，兩個變壓器T1和T2原邊側電路中的激磁電流iLm(iLm1和iLm2)在某一個時刻都會被強迫歸零，任何一個電流iLm(iLm1或iLm2)在任何時刻都不能變負，因此，兩個變壓器T1和T2原邊側電路就不可能形成環流，其磁芯才能激磁復位，不會產生飽和。
同理，如果兩個變壓器T1和T2原邊側電路中只串聯有一個開關元件S1或S2，原理和效果均與兩個變壓器T1和T2原邊側電路中分別串聯有一個開關元件S1和S2相同，在此不再贅述。
因此，在上述本發明的實施例中，隔離變壓器T1~Tn原邊側電路沒有直接並聯連接，而是分別串聯了N個開關元件S1~Sn或N-1個開關元件S1~Sn-1，這些開關元件S1~Sn或S1~Sn-1可以限制電流的流通方向。這樣，任意一個變壓器T1~Tn原邊側電路中的電流方向都是固定的，因此，原邊側電路相互間不會產生環流，每個變壓器T1~Tn都可以在一個工作週期內完好復位，以使在變壓器T1~Tn設計時不需要考慮餘量。
下面為本發明應用於APF系統中為驅動電路供電的一個較佳實施例。
請參閱圖6，圖6為本發明主動多路隔離輸出電源電路應用於APF系統中的一優選實施例的電路示意圖。如圖所示，主動電力濾波器包括APF的主功率電路，該主功率電路由兩套三電平逆變器並聯組合構成，並採用LCL(電感-電容-電感)濾波電路進行濾波。三電平逆變電路常用於不間斷電源(Uninterruptible Power System，簡稱UPS)以及變頻器等場合。
在通常情況下，該主功率電路可以包括M組開關元件K1~Km以及其配套的驅動電路。M可以為大於等於2的正整數。三電平逆變電路需要驅動電路對每一個其所應用的開關元件(例如，IGBT、MOSFET或其他開關元件)進行隔離驅動。在本發明的實施例中，M的數量為24，即兩套三電平逆變器共有24組開關元件IGBT。因此，需要24組本發明的主動多路隔離輸出電源分別給24組開關元件IGBT的驅動電路供電。
需要說明的是，圖6只示出了左側8組開關元件IGBT的驅動電路和其相配套的主動多路隔離輸出電源結構，其他16組開關元件IGBT的驅動電路和其相配套的主動多路隔離輸出電源結構與此相同，不再贅述。另外，從實際應用的方便性考慮，圖6中的電源電路可配置成兩個輸出路數(每路12組)相同的主動多路隔離輸出電源分別給APF系統主功率電路中的24組開關元件IGBT的驅動電路供電。
請參閱圖7，圖7為本發明多路隔離輸出電源電路應用於APF中的一組驅動電路局部示意圖。雖然圖中僅示出一路主動隔離輸出電源的輸入端AB連接到電網側的交流電源輸出端，在實際使用時，24路主動多路隔離電源輸入端AB連接到一起統一由電網側的交流電源供電；並且，該主動多路隔離輸出電源包含的24組隔離變壓器T1~T24，該隔離變壓器T1~T24原邊側電路中分別串接有開關元件S1~S24。在本發明的另一優選實施例中，該隔離變壓器T1~T24原邊側電路中的23路原邊側電路分別串接有23個開關元件，剩下的一路原邊側電路沒有串接開關元件，其原理和效果均與該隔離變壓器T1~T24原邊側電路中分別串接有開關元件S1~S24相同，以避免電源隔離變壓器原邊側電路相互之間產生環流。
如圖7所示，該主動多路隔離輸出電源的輸出端與驅動電路相連並給驅動電路供電；該驅動電路接收控制信號，驅動開關元件IGBT執行通斷操作。在本發明的實施例中，該主動多路隔離輸出電源的開關元件S1~S24均採用二極體，如圖中D1所示；該24組開關元件S1~S24使所有隔離變壓器T1~T24在原邊側電路中沒有直接並聯，防止某些路原邊側電路電流的反向。在隔離變壓器T1~T24的副邊側，其整流電路可以為半波整流、全波整流、同步整流等任意整流線路，在本發明實施例中，整流電路為半週期不控整流電路；該半週期不控整流電路包括在隔離變壓器T1~T24副邊側電路中分別串接的一個無控制功能的整流二極體D2組成的整流電路以及在主動多路隔離輸出電源的輸出端分別並聯的一個電容C，進行不控整流。
結果表明，採用本發明實施例中的主動多路隔離輸出電源對APF設備中的驅動電路供電，可以極大地減少其驅動電源的體積。較之採 用傳統的主動多路隔離輸出電源，整個APF設備總體積的減少非常可觀。
以上所述的僅為本發明的優選實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。
A、B‧‧‧輸入端
S1~Sn‧‧‧開關元件
T1~Tn‧‧‧變壓器

Claims (11)

  1. 一種主動多路隔離的輸出電源，包括：連接交流母線的輸出端且原邊側電路相互並聯的N個變壓器T1~Tn；其中，N為大於等於2的正整數；其特徵在於，還包括：N或N-1個開關元件(S1~Sn或S1~Sn-1)，分別串聯於N個所述變壓器(T1~Tn)的不同原邊側電路中，以固定所述變壓器(T1~Tn)原邊側電路的電流流通方向，以使所述電壓器(T1~Tn)之間不會因負載的不同產生相互的環流；其中，所述變壓器(T1~Tn)的副邊側產生相互隔離的N路輸出電源。
  2. 如專利申請範圍第1項所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)的副邊側還包括整流電路，所述的整流電路對所述N路輸出電源進行整流以產生相互隔離的N路直流電源。
  3. 如專利申請範圍第1項所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述交流母線所產生的交流電通過推挽電路、正激電路、反激電路或斬波電路串聯隔直電路形成的電路產生。
  4. 如專利申請範圍第2項所述的主動多路隔離的輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)副邊側的整流電路為半波整流電路、全波整流電路或同步整流電路。
  5. 如專利申請範圍第1至4項任意一個所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)原邊側的開關元件(S1~Sn或S1~Sn-1)為二極體。
  6. 如專利申請範圍第1至4項任意所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)原邊側的開關元件(S1~Sn或S1~Sn-1)為MOSFET，所述的MOSFET由控制單元控制其通斷。
  7. 如專利申請範圍第1至4項任意一個所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)原邊側的開關元件(S1~Sn或S1~Sn-1)為IGBT，所述的IGBT由控制單元控制其通斷。
  8. 如專利申請範圍第1至4項任意一個所述的主動多路隔離輸出電源，其特徵在於，所述變壓器(T1~Tn)原邊側的開關元件(S1~Sn或S1~Sn-1)為繼電器。
  9. 一種主動電力濾波器，包括主功率電路，所述的主功率電路包括M組開關元件(K1~Km)以及其各自配套的驅動電路，其中，M為大於等於2的正整數；其特徵在於，還包括：專利申請範圍第1項所述的主動多路隔離輸出電源，所述主動多路隔離輸出電源的輸入端接收電網側的交流電源，給所述的驅動電路供電，並且所述的驅動電路係接收至少一控制訊號驅動所述M組開關元件(K1~Km)之通斷操作。
  10. 如專利申請範圍第9項所述的主動電力濾波器，其特徵在於，所述的開關元件(K1~Km)為IGBT或MOSFET。
  11. 如專利申請範圍第9或10項所述的主動電力濾波器，其特徵在於，還包括：所述的主動多路隔離輸出電源的變壓器原邊側電路中串接的開關元件為二極體；所述變壓器副邊側的整流電路為半週期不控整流電路。
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