專利名稱：1500v輸入-110v輸出的降壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的降壓變換器，具體是一種1500V輸入-110V輸出的雙半橋逆變直流降壓電路。
背景技術(shù)：
應(yīng)用于電子設(shè)備和控制電路的IlOV低壓直流電源是地鐵機(jī)車低壓配電系統(tǒng)的重要組成部分。隨著我國地鐵動車高鐵技術(shù)的迅猛發(fā)展，對于低壓直流電源的需求越來越旺盛,要求也越來越高。體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高、供電質(zhì)量好、超高電壓輸入的低壓電源符合高速列車的發(fā)展要求，具有良好的應(yīng)用前景。1500V輸入-110V輸出的雙半橋逆變直流降壓電路具體包括兩個電壓變換環(huán)節(jié)， 一個是高壓直流電輸入-低壓交流電輸出環(huán)節(jié)，另一個是低壓交流電輸入-低壓直流電輸出環(huán)節(jié)。為了完成高壓直流電輸入-低壓交流電輸出環(huán)節(jié)，可以采用單端正激電路和橋式逆變電路。單端正激電路將輸入的高壓直流電壓斬波變換為高壓脈沖電壓，該電壓送入降壓變壓器耦合至副邊，電路結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，成本較低，但是單個功率器件承受的電壓等級較大，電源利用率較低；橋式逆變電路結(jié)構(gòu)經(jīng)典，控制方法成熟，功能齊全，性能高，但是其成本較高，輸入電壓等級較低，無法應(yīng)用于高壓大功率的場合。經(jīng)過對現(xiàn)有適合高壓直流電壓輸入-低壓直流電壓輸出應(yīng)用場合的降壓變換器技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“高壓輸入低壓大電流輸出模塊電源的設(shè)計”(電力電子技術(shù)，2009年第5期43卷)和“高壓輸入低壓多路輸出的兩級式變換器”(電工技術(shù)學(xué)報，2010年第I期第25卷)中描述的單相-單相交-直變換器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度大，輸入電壓低，功能和性能較差，很難應(yīng)用于地鐵機(jī)車等高壓場合；中國專利號02224999. 0，專利名稱從高壓線上獲取能量的低壓電源，描述的降壓變換器采用了電流互感器和蓄電池，成本較高，且其拓?fù)浜凸ぷ髟矶紭O其復(fù)雜，應(yīng)用難度非常高。為了完成低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出，采用全波整流電路，電源利用率高，每個功率器件僅提供輸出電流的一半，輸出直流電流波幅小，供電質(zhì)量高。綜上所述，現(xiàn)有的高壓輸入-低壓輸出電源的輸入電壓等級低，結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，而輸入電壓較高的電源成本高，拓?fù)浔容^復(fù)雜，輸出電壓穩(wěn)定性較差，均不適用于地鐵機(jī)車等高速和高壓的場合。隨著實(shí)踐應(yīng)用的擴(kuò)大，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、成本低廉、輸入電壓等級高、供電質(zhì)量高的降壓變換器已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員的當(dāng)務(wù)之急。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種1500V輸入-110V輸出的降壓變換器，使其實(shí)現(xiàn)DC/DC變換，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、成本低廉、供電質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本實(shí)用新型包括依次級聯(lián)的分壓電路、開關(guān)電路和整流電路，分壓電路的輸出端通過開關(guān)電路與整流電路的輸入端相連。所述分壓電路和開關(guān)電路兩端分別與電源的正極和負(fù)極相連，整流電路分為兩部分分別獨(dú)立處理，每個部分的前級為一個降壓變壓器，兩端與開關(guān)電路的輸出端相連，中級為一個全波整流器，兩端與降壓變壓器的輸出端相連，整流電路的后級為一個電容濾波電路，兩個部分的濾波電路輸出端并聯(lián)，輸入端分別連接全波整流器的輸出端。所述的分壓電路為電容分壓電路四個電解電容依次串聯(lián)，兩端分別與輸入電源的正極和負(fù)極相連，其中第一與第二電容為一組，第三與第四電容為一組，將輸入電壓均分，這兩部分電壓獨(dú)立使用，其中第一電容和第二電容的連接點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)01，第二電容和第三電容的連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)02，第三電容和第四電容的連接點(diǎn)為第三節(jié)點(diǎn)03 ;每個電容均并聯(lián)一個均壓電阻，第一至第四電阻分別為第一至第四電容均壓；第五電阻和第六電阻串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極和第二節(jié)點(diǎn)02相連，為第一電容和第二電容均壓；第七電阻和第八電阻串聯(lián)，兩端分別與第二節(jié)點(diǎn)02和輸入電源負(fù)極相連，為第三電容和第四電容均壓。 所述的開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)為四個逆導(dǎo)開關(guān)串聯(lián)，串聯(lián)后兩端分別與輸入電源正極和負(fù)極相連，其中第二逆導(dǎo)開關(guān)和第三逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)02，第一逆導(dǎo)開關(guān)和第二逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第四節(jié)點(diǎn)04，第三逆導(dǎo)開關(guān)和第四逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第五節(jié)點(diǎn)05 ;所述的逆導(dǎo)開關(guān)的門極接受PWM脈沖控制信號，并且第一逆導(dǎo)開關(guān)和第三逆導(dǎo)開關(guān)驅(qū)動信號相同，第二逆導(dǎo)開關(guān)和第四逆導(dǎo)開關(guān)驅(qū)動信號相同；所述的整流電路可劃分為結(jié)構(gòu)相同的兩部分，稱為第一部分和第二部分，分別獨(dú)立處理二分之一的輸入電壓，各個部分均包括一個子整流電路，兩部分的子整流電路的輸出端并聯(lián)，每個子整流電路具體包括降壓變壓器、全波整流器和濾波電路，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和一個副邊繞組，其中副邊繞組與全波整流器相連，第一部分的第一降壓變壓器與第二降壓變壓器的原邊繞組串聯(lián)，兩端分別與第一節(jié)點(diǎn)01和第四節(jié)點(diǎn)04相連，第二部分的第三降壓變壓器與第四降壓變壓器的原邊繞組串聯(lián)，兩端分別與第三節(jié)點(diǎn)03和第五節(jié)點(diǎn)05相連。由于兩個子整流電路的電路結(jié)構(gòu)完全相同，此處只描述第一子整流電路的具體連接方法第一二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的正極相連，負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)06相連，第二二極管的正極與第二降壓變壓器的上副邊繞組的負(fù)極相連，負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)06相連，第一降壓變壓器的副邊繞組和第二降壓變壓器的副邊繞組的連接點(diǎn)為第八節(jié)點(diǎn)08，第三降壓變壓器的副邊繞組和第四降壓變壓器的副邊繞組的連接點(diǎn)為第九節(jié)點(diǎn)09，第一電感的一端與第八節(jié)點(diǎn)08相連，另外一端與第七節(jié)點(diǎn)07相連；第一、第二、第三、第四二極管的負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)06相連，第一與第二電感的右端與第七節(jié)點(diǎn)07相連；所述的濾波電路為電容濾波電路，第五電容和第九電阻并聯(lián)，兩端分別與第六節(jié)點(diǎn)06和第七節(jié)點(diǎn)07連接。濾波電路的輸出端輸出直流電壓。采用上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型結(jié)合分壓電路和開關(guān)電路將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓進(jìn)行處理，制定了高壓輸入-低壓輸出的降壓變換器，分壓電路和開關(guān)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，可將輸入高電壓降壓處理，開關(guān)應(yīng)力小，變壓器設(shè)計簡化，全波整流器電源利用率高，輸出電壓穩(wěn)定性好，安全系數(shù)高，能夠適應(yīng)地鐵機(jī)車高速度高電壓的應(yīng)用場合。本實(shí)用新型具有設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎、通用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

[0014]圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
下面對本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖I所不,本實(shí)施例提供一種1500V輸入-110V輸出的降壓變換器,包括依次級聯(lián)的分壓電路I、開關(guān)電路2和整流電路3，分壓電路I的輸出端通過開關(guān)電路2與整流電路3的輸入端相連。所述的分壓電路I為電容分壓電路四個電解電容El E4依次串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極Pl和負(fù)極N2相連,其中第一與第二電容El E2為一組,第三與第四電容E3 E4為一組,將輸入電壓均分,這兩部分電壓獨(dú)立使用，其中第一電容El和第二電容E2的連接點(diǎn)為01，第二電容E2和第三電容E3的連接點(diǎn)為02，第三電容E3和第四電容E4的 連接點(diǎn)為03 ;每個電容均并聯(lián)一個均壓電阻，第一至第四電阻Rl R4分別為第一至第四電容El E4均壓；第五電阻R5和第六電阻R6串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極Pl和節(jié)點(diǎn)02相連，為第一電容El和第二電容E2均壓；第七電阻R7和第八電阻R8串聯(lián)，兩端分別與節(jié)點(diǎn)02和輸入電源負(fù)極N2相連，為第三電容E3和第四電容E4均壓。所述的電容El E4為電解電容450V/680uF。所述的電阻Rl R8為50kQ，l%，5W。所述的開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)為四個逆導(dǎo)開關(guān)SI S4串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極Pl和負(fù)極N2相連，其中第二逆導(dǎo)開關(guān)S2和第三逆導(dǎo)開關(guān)S3的連接點(diǎn)為02，第一逆導(dǎo)開關(guān)SI和第二逆導(dǎo)開關(guān)S2的連接點(diǎn)為04，第三逆導(dǎo)開關(guān)S3和第四逆導(dǎo)開關(guān)S4的連接點(diǎn)為05 ；所述的逆導(dǎo)開關(guān)的門極接受PWM脈沖控制信號，并且第一逆導(dǎo)開關(guān)SI和第三逆導(dǎo)開關(guān)S3驅(qū)動信號相同，第二逆導(dǎo)開關(guān)S2和第四逆導(dǎo)開關(guān)S4驅(qū)動信號相同；所述的逆導(dǎo)開關(guān)SI S4為功率IGBT 1200V/75A/100°C，逆導(dǎo)開關(guān)SI S4的驅(qū)動脈沖根據(jù)開關(guān)電路所需的輸出波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，開關(guān)頻率為IOkHz ；所述的整流電路3可劃分為結(jié)構(gòu)相同的兩部分，稱為第一部分和第二部分，分別獨(dú)立處理二分之一的輸入電壓，各個部分均包括一個子整流電路，每個子整流電路具體包括降壓變壓器、全波整流器和濾波電路，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和一個副邊繞組，其中副邊繞組與全波整流器相連，第一部分的第一和第二降壓變壓器Tl、T2的原邊繞組串聯(lián)，兩端分別與節(jié)點(diǎn)01和04相連，第二部分的第三和第四降壓變壓器T3、T4的原邊繞組兩端分別與節(jié)點(diǎn)03和05相連。由于兩個子整流電路的電路結(jié)構(gòu)完全相同，此處只描述第一子整流電路的具體連接方法第一二極管FRDl的正極與第一降壓變壓器Tl的上副邊繞組的正極相連，負(fù)極與節(jié)點(diǎn)06相連，第二二極管FRD2的正極與第二降壓變壓器Τ2的上副邊繞組的負(fù)極相連，負(fù)極與節(jié)點(diǎn)06相連，第一降壓變壓器Tl的副邊繞組和第二降壓變壓器Τ2的副邊繞組的連接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)08，第三降壓變壓器Τ3的副邊繞組和第四降壓變壓器Τ4的副邊繞組的連接點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)09第一電感LI的一端與節(jié)點(diǎn)08相連，另外一端與節(jié)點(diǎn)07相連。第一、第二、第三、第四二極管FRD1、FRD2、FRD3、FRD4的負(fù)極與節(jié)點(diǎn)06相連，第一與第二電感LI L2的右端與節(jié)點(diǎn)07相連。所述的濾波電路為電容濾波電路，第五電容E5和第九電阻R9并聯(lián)，兩端分別與節(jié)點(diǎn)06和節(jié)點(diǎn)07連接。濾波電路的輸出端輸出直流電壓。所述的變壓器T1、T2、T3、T4為降壓型，變比為5 I，采用多個變壓器初級串聯(lián)以提升耐壓能力。所述的二極管FRDl FRD4為反向快速恢復(fù)型600V/20A/100°C，5只并聯(lián)。所述的電感LI、L2為非晶體材料，感值為500uH。所述的電容E5、E6為電解電容680yF/450V。所述的電阻R9、R10 為 5kQ，5%，5W。本實(shí)施例中，輸入交流電壓為1500V，輸出直流電壓為110V。本實(shí)施例通過以下方式進(jìn)行工作分壓電路I將高壓直流輸入電壓平均分為上下 兩部分，濾波電容使得二等份輸入電壓平穩(wěn)光滑，均壓電阻保證二等份輸入電壓穩(wěn)定均衡，開關(guān)電路2受特定的脈沖信號驅(qū)動，兩部分輸入電壓分別獨(dú)立進(jìn)行處理，可將高壓直流輸入電壓變成幅值僅為輸入電壓二分之一大小的交變電壓，大大減少了開關(guān)應(yīng)力，此過程中兩部分對應(yīng)開關(guān)的動作保持一致，每部分同一時刻只能有一個開關(guān)導(dǎo)通，每部分電路共有2種開關(guān)狀態(tài)以第一部分為例，當(dāng)?shù)谝荒鎸?dǎo)開關(guān)導(dǎo)通時輸出電壓為輸入電壓的二分之一，第一電容供電。當(dāng)?shù)诙鎸?dǎo)開關(guān)導(dǎo)通時輸出電壓為輸入電壓的二分之一，第二電容供電。對于每部分電路，交替等占空比地選擇狀態(tài)I和2產(chǎn)生合適的脈沖控制信號分別驅(qū)動四個逆導(dǎo)開關(guān)，可將輸入高電壓降壓后送入變壓器進(jìn)行處理。開關(guān)電路2輸出的交流電壓送入串聯(lián)降壓變壓器，并耦合至副邊，這樣，單個變壓器輸入端電壓減小，大大簡化了變壓器的設(shè)計。四個降壓變壓器輸出低壓交流電壓施加到全波整流器和濾波電路，全波整流器對低壓交流電進(jìn)行整流和濾波且輸出端并聯(lián)產(chǎn)生低壓大電流輸出。本實(shí)用新型采用電容分壓電路和開關(guān)電路，將輸入高電壓降低為原來的二分之一進(jìn)行處理，變壓器串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分壓，實(shí)現(xiàn)由高壓直流電源變換為低壓交流電源，再采用全波整流器實(shí)現(xiàn)低壓交流電壓-低壓直流輸出，且輸出端并聯(lián)，可獲得低壓大電流輸出。該電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計新穎，巧妙地將大電壓轉(zhuǎn)化為小電壓進(jìn)行處理，開關(guān)應(yīng)力大大減小，變壓器的設(shè)計簡化，成本下降，采用全波整流器提高了電源利用率，保證了供電質(zhì)量，控制器設(shè)計也并不復(fù)雜，已獲得仿真分析和實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證。而現(xiàn)有的降壓變換器方案的不足之處包括輸入電壓等級太低，難以做到大功率化，電路穩(wěn)定性差，效率較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)。盡管本實(shí)用新型的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本實(shí)用新型的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本實(shí)用新型的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求1.一種1500V輸入-IlOV輸出的降壓變換器，包括分壓電路、開關(guān)電路和整流電路，其中分壓電路的輸出端通過開關(guān)電路與整流電路的輸入端相連；其特征在于 所述的分壓電路為電容分壓電路四個電解電容依次串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極和負(fù)極相連，其中第一與第二電容為一組，第三與第四電容為一組，其中第一電容和第二電容的連接點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)(01)，第二電容和第三電容的連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)(02)，第三電容和第四電容的連接點(diǎn)為第三節(jié)點(diǎn)(03);每個電容均并聯(lián)一個均壓電阻，第一至第四電阻分別為第一至第四電容均壓；第五電阻和第六電阻串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極和第二節(jié)點(diǎn)(02)相連，為第一電容和第二電容均壓；第七電阻和第八電阻串聯(lián)，兩端分別與第二節(jié)點(diǎn)(02)和輸入電源負(fù)極相連，為第三電容和第四電容均壓； 所述的開關(guān)電路的結(jié)構(gòu)為四個逆導(dǎo)開關(guān)串聯(lián)，兩端分別與輸入電源正極和負(fù)極相連，其中第二逆導(dǎo)開關(guān)和第三逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)(02)，第一逆導(dǎo)開關(guān)和第二逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第四節(jié)點(diǎn)(04)，第三逆導(dǎo)開關(guān)和第四逆導(dǎo)開關(guān)的連接點(diǎn)為第五節(jié)點(diǎn)(05);所述的逆導(dǎo)開關(guān)的門極接受PWM脈沖控制信號，并且第一逆導(dǎo)開關(guān)和第三逆導(dǎo)開關(guān)驅(qū)動信號相同，第二逆導(dǎo)開關(guān)和第四逆導(dǎo)開關(guān)驅(qū)動信號相同； 所述的整流電路包括結(jié)構(gòu)相同的兩部分，這兩部分分別獨(dú)立處理二分之一的輸入電壓，各個部分均包括一個子整流電路，兩個子整流器的輸出端并聯(lián)，每個子整流電路具體包括降壓變壓器、全波整流器和濾波電路，所述的降壓變壓器具有一個原邊繞組和一個副邊繞組，其中副邊繞組與全波整流器相連，第一部分的第一和第二降壓變壓器的原邊繞組串聯(lián)，兩端分別與第一節(jié)點(diǎn)(01)和第四節(jié)點(diǎn)(04)相連，第二部分的降壓變壓器的原邊繞組串聯(lián)，兩端分別與第三節(jié)點(diǎn)(03)和第五節(jié)點(diǎn)(05)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的1500V輸入-110V輸出的降壓變換器，其特征是，所述子整流電路的電路結(jié)構(gòu)完全相同，具體連接第一二極管的正極與第一降壓變壓器的上副邊繞組的正極相連，負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)(06)相連，第二二極管的正極與第二降壓變壓器的上副邊繞組的負(fù)極相連，負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)(06)相連，第一降壓變壓器的副邊繞組和第二降壓變壓器的副邊繞組的連接點(diǎn)為第八節(jié)點(diǎn)(08)，第三降壓變壓器的副邊繞組和第四降壓變壓器的副邊繞組的連接點(diǎn)為第九節(jié)點(diǎn)(09)，第一電感的一端與第七節(jié)點(diǎn)(07)另外一端與第八節(jié)點(diǎn)(08)相連；第一、第二、第三、第四二極管的負(fù)極與第六節(jié)點(diǎn)(06)相連,第一與第二電感的右端與第七節(jié)點(diǎn)(07)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的1500V輸入-IIOV輸出的降壓變換器，其特征是，所述的濾波電路為電容濾波電路，第五電容和第九電阻并聯(lián)，兩端分別與第六節(jié)點(diǎn)(06)和第七節(jié)點(diǎn)(07)連接，第六電容和第十電阻并聯(lián)，兩端分別與第六節(jié)點(diǎn)(06)和第七節(jié)點(diǎn)(07)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的1500V輸入-110V輸出的降壓變換器，其特征是，所述的濾波電路的輸出端輸出直流電壓。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的1500V輸入-110V輸出的降壓變換器，包括分壓電路、開關(guān)電路和整流電路，分壓電路的輸出端通過開關(guān)電路與整流電路的輸入端相連。所述分壓電路和開關(guān)電路兩端分別與電源的正極和負(fù)極相連，整流電路分為兩部分分別獨(dú)立處理，兩部分輸出端并聯(lián)。每個部分的前級為兩個降壓變壓器串聯(lián)，兩端與開關(guān)電路的輸出端相連，中級為一個全波整流器，整流電路的后級為一個電容濾波電路，輸入端分別連接全波整流器的輸出端。本實(shí)用新型輸入電壓等級高，輸出直流電壓穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)應(yīng)力小，變壓器設(shè)計簡化，電源利用率高，供電質(zhì)量高，穩(wěn)定性和安全系數(shù)較高，成本低，適合地鐵機(jī)車等高壓高速的應(yīng)用場合。
文檔編號H02M3/335GK202550888SQ20122012448
公開日2012年11月21日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者楊喜軍, 王男, 陸飛 申請人:上海交通大學(xué)