专利名称：五电平逆变的直流电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种电力电子技术领域的直流电源，具体是一种1500V输入-110V输出的机载五电平逆变的直流电源。
背景技术：
应用于机载低压电器设备的IlOV低压直流电源是地铁动车高铁低压配电系统的重要组成部分。随着我国地铁动车高铁的迅猛发展，对于低压直流电源的需求越来越旺盛，要求也越来越高。体积小、重量轻、稳定性好、安全系数高、超高电压输入的低压电源符合地铁动车高铁的发展要求，具有良好的应用前景。1500V输入-110V输出的机载五电平逆变的直流电源具体包括两个电压变换环节，一个是高压直流电输入-低压交流电输出环节，另一个是低压交流电输入-低压直流电输出环节。 为了完成高压直流电输入-低压交流电输出环节，可以采用单端正激电路和桥式逆变电路。单端正激电路将输入的高压直流电压斩波变换为高压脉冲电压，该电压送入降压变压器耦合至副边，电路结构简单，控制容易，成本较低，但是单个功率器件承受的电压等级较大，电源利用率较低；桥式逆变电路结构经典，控制方法成熟，功能齐全，性能高，但是其成本较高，输入电压等级较低，无法应用于高压大功率的场合。经过对现有适合高压直流电压输入-低压直流电压输出应用场合的降压变换器技术的检索发现，“高压输入低压大电流输出模块电源的设计”(电力电子技术，2009年第5期43卷)和“高压输入低压多路输出的两级式变换器”(电工技术学报，2010年第I期第25卷)中描述的单相-单相交-直变换器的结构复杂，设计难度大，输入电压低，功能和性能较差，很难应用于地铁机车等高压场合；中国专利号02224999. 0，专利名称从高压线上获取能量的低压电源，描述的降压变换器采用了电流互感器和蓄电池，成本较高，且其拓扑和工作原理都极其复杂，应用难度非常高。为了完成低压交流电压输入-低压直流电压输出，采用全波整流电路，电源利用率高，每个功率器件仅提供输出电流的一半或四分之一，输出直流电流波幅小，供电质量闻。综上所述，现有的高压输入-低压输出电源的输入电压等级低，结构和控制比较复杂，而输入电压较高的电源成本高，拓扑比较复杂，输出电压稳定性较差，均不适用于地铁机车等高速和高压的场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、控制简便、成本低廉、输入电压等级高、供电质量高的降压变换器已成为本领域技术人员的当务之急。
实用新型内容本实用新型针对现有技术的上述不足，提供一种五电平逆变的直流电源，使其实现DC/DC变换，具有结构简单、控制简便、成本低廉、供电质量高等优点。本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括依次级联的分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与两个电源的正极和负极相连，整流电路的前级为两个降压变压器初级串联，串联后初级两端与开关电路的输出端相连，整流电路的后级为两个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。所述的分压电路为电容分压电路八个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一至第四电容为一组，第五至第八电容为一组，将输入电压均分，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容和第五电容的连接点为第一节点，第二电容和第三电容的连接点为第二节点，第六电容和第七电容的连接点为第三节点；每个电容均并联一个均压电阻，第一至第八电阻分别为第一至第八电容均压；第九电阻和第十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第四节点相连，为第一、二电容和第三、四电容均压；第十一电阻和第十二电阻串联，两端分别与第四节点和电源负极相连，为第五、六电容和第七、八电容均压。所述的开关电路的结构为六个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相 连，其中第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第十节点，第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第九节点，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第八节点，第四逆导开关和第五逆导开关的连接点为第十一节点，第五逆导开关和第六逆导开关的连接点为第十二节点；所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号所述六个逆导开关设有八个开关状态，分别为①第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断第一逆导开关、第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；③第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；④第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；⑤第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；⑥第四逆导开关、第五逆导开关和第六逆导开关同时开通，其余逆导开关关断第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；⑧第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断。如此循环，输出五级电平交变电压。所述的整流电路处理输入电源的输入电压，包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括降压变压器和全波整流器，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且与全波整流器相连，两个降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第四节点和第十节点相连。所述子整流电路的电路结构完全相同，具体连接结构第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与输出电源正极相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与输出电源正极相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与输出电源负极相连；第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管的负极与输出电源正极相连，第一电感与二电感的右端与输出电源负极相连。所述的滤波电路为电容滤波电路，第九电容和第十电容串联，两端分别与输出电源正极和输出电源负极连接，其中第九电容两端并联第十三电阻，第十电容两端并联第十四电阻，第十三电阻和第十四电阻分别为第九电容和第十电容均压。采用上述技术方案，本实用新型结合分压电路和开关电路将高电压转换为低电压进行处理，变压器串联降低单个变压器的压降，制定了高压输入-低压输出的降压变换器，分压电路和开关电路结构简单，控制方便，可将输入高电压降压处理，开关应力小，变压器设计简化，全波整流器电源利用率高，输出电压稳定性好，安全系数高，能够适应地铁动车高铁等高速度高电压的应用场合。本实用新型具有设计结构新颖、通用性强、成本低等优点。
图I为本实用新型实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
·[0018]如图I所不,本实施例提供一种1500V输入-110V输出的机载五电平逆变的直流电源，包括依次级联的分压电路I、开关电路2、整流电路3和滤波电路4，分压电路I的输出端通过开关电路2和整流电路3与滤波电路4的输入端相连。所述的分压电路I为电容分压电路八个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一至第四电容为一组，第五至第八电容为一组，将输入电压均分，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容和第五电容的连接点为第一节点04，第二电容和第三电容的连接点为第二节点02，第六电容和第七电容的连接点为第三节点06 ;每个电容均并联一个均压电阻，第一至第八电阻分别为第一至第八电容均压；第九电阻和第十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第四节点04相连，为第一、二电容和第三、四电容均压；第十一电阻和第十二电阻串联，两端分别与第四节点04和电源负极相连,为第五、六电容和第七、八电容均压。所述的电容El E8为电解电容450V/680uF。所述的电阻Rl R12 为 50kQ，l%，5W。所述的开关电路2的结构为六个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第十节点010，第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第九节点09，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第八节点08，第四逆导开关和第五逆导开关的连接点为第十一节点011，第五逆导开关和第六逆导开关的连接点为第十二节点012 ;所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得六个逆导开关的工作顺序依次为第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；第一逆导开关、第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；第四逆导开关、第五逆导开关和第六逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；如此循环，输出五级电平交变电压。所述的逆导开关SI S6为功率MOSFET 1200V/75A/100°C，逆导开关SI S6的驱动脉冲根据开关电路所需的输出波形进行调节，开关频率为IOkHz ；[0024]所述的整流电路3处理输入电源的输入电压，包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括降压变压器和全波整流器，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且与全波整流器相连，两个降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第四节点04和第十节点010相连。所述子整流电路的电路结构完全相同，具体连接结构第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与输出电源正极相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与输出电源正极相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与输出电源负极相连；第一第二、第三、第四二极管的负极与输出电源正极相连，第一至第二电感的右端与输出电源负极相连。所述的变压器T1、T2为降压型，变比为2:1，采用多个变压器初级串联以提升耐压能力。所述的二极管FRDl FRD4为反向快速恢复型600V/20A/100°C，5只并联。所述的电感LI L2为非晶体材料，感值为500uH。 所述的滤波电路为电容滤波电路，第九电容和第十电容串联，两端分别与输出电源正极和输出电源负极连接，其中第九电容两端并联第十三电阻，第十电容两端并联第十四电阻，第十三电阻和第十四电阻分别为第九电容和第十电容均压。所述的电容E9、E10为电解电容680yF/450V ；所述的电阻R13、R14 为 O. 5k Ω，5%, 1/2W。本实施例中，输入交流电压为1500V，输出直流电压为110V。本实施例通过以下方式进行工作分压电路I将高压直流输入电压平均分为四等分，均压电阻保证四等份输入电压稳定均衡，开关电路2受特定的脉冲信号驱动，对输入电压进行处理，可将高压直流输入电压变成幅值为输入电压二分之一和四分之一大小的交变电压，大大减少了开关应力，开关电路共有开关状态I :第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；开关状态2 :第一逆导开关、第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；开关状态3:第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；开关状态4 :第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；开关状态5 :第四逆导开关、第五逆导开关和第六逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；以此为例，当第二逆导开关和第三逆导开关导通时输出电压为输入电压的四分之一，第三电容和第四电容供电；当第一逆导开关、第二逆导开关和第三逆导开关导通时输出电压为输入电压的二分之一，第一、二、三电容和第四电容供电；当第三逆导开关和第四逆导开关导通时输出电压为O ;当第四逆导开关和第五逆导开关导通时输出电压为输入电压的负四分之一，第五电容和第六电容供电；当第四逆导开关、第五逆导开关和第六逆导开关导通时输出电压为输入电压的负二分之一，第五、六、七电容和第八电容供电。对于开关电路，交替等占空比地选择状态1、2、1、3、4、5、4、3，产生合适的脉冲控制信号分别驱动六个逆导开关，可将输入高电压降压后送入变压器进行处理。开关电路2输出的五级电平交变电压送入串联的降压变压器，并耦合至副边，这样，单个变压器输入端电压减小，大大简化了变压器的设计。两个降压变压器输出低压交流电压分别施加各自的全波整流器，全波整流器对低压交流电进行整流且输出端并联产生低压大电流输出。本实用新型采用电容分压电路和开关电路，将输入高电压降低为原来的四分之一进行处理，变压器串联结构进一步分压，实现由高压直流电源变换为低压交流电源，再采用全波整流器实现低压交流电压-低压直流输出，且输出端并联，可获得低压大电流输出。该电路结构简单，设计新颖，巧妙地将大电压转化为小电压进行处理，开关应力大大减小，变压器的设计简化，成本下降，采用全波整流器提高了电源利用率，保证了供电质量，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验 证。而现有的降压变换器方案的不足之处包括输入电压等级太低，难以做到大功率化，电路稳定性差，效率较低，结构复杂，控制繁琐，不易实现。尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求1.一种五电平逆变的直流电源，包括分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，其中分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连；其特征在于 所述的分压电路为电容分压电路八个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一至第四电容为ー组，第五至第八电容为ー组，将输入电压均分，每部分四个电容再分为两组，将两部分电压继续分为均等的四份，其中第四电容和第五电容的连接点为第一节点(04)，第二电容和第三电容的连接点为第二节点(02)，第六电容和第七电容的连接点为第三节点(06);每个电容均并联ー个均压电阻，第一至第八电阻分别为第一至第八电容均压；第九电阻和第十电阻串联，两端分别与输入电源正极和第四节点(04)相连，为第一、ニ电容和第三、四电容均压；第十一电阻和第十二电阻串联，两端分别与第四节点(04)和电源负极相连，为第五、六电容和第七、八电容均压； 所述的开关电路的结构为六个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第十节点(010)，第二逆导开关和第三逆导 开关的连接点为第九节点(09)，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第八节点(08)，第四逆导开关和第五逆导开关的连接点为第十一节点(011)，第五逆导开关和第六逆导开关的连接点为第十二节点(012);所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号，并且使得六个逆导开关输出五级电平交变电压； 所述的整流电路处理输入电源的输入电压，包括两个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路具体包括降压变压器和全波整流器，所述的降压变压器具有ー个原边绕组和两个副边绕组，其中两个副边绕组以上下区分，且与全波整流器相连，两个降压变压器的原边绕组串联，两端分别与第四节点(04)和第十节点(010)相连。
2.根据权利要求I所述的五电平逆变的直流电源，其特征是，所述六个逆导开关设有八个开关状态，分别为①第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断 ’②第一逆导开关、第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；③第二逆导开关和第三逆导开关同时开通，其余逆导开关关断第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断第四逆导开关、第五逆导开关和第六逆导开关同时开通，其余逆导开关关断；⑦第四逆导开关和第五逆导开关开通，其余逆导开关关断；⑧第三逆导开关和第四逆导开关同时开通，其余逆导开关关断。
3.根据权利要求I或2所述的五电平逆变的直流电源，其特征是，所述子整流电路的电路结构完全相同，具体连接结构第一ニ极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与输出电源正极相连，第二ニ极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与输出电源正极相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与输出电源负极相连；第一、第二、第三、第四ニ极管的负极与输出电源正极相连，第一至第二电感的右端与输出电源负极相连。
4.根据权利要求I或2所述的五电平逆变的直流电源，其特征是，所述的滤波电路为电容滤波电路，第九电容和第十电容串联，两端分别与输出电源正极和输出电源负极连接，其中第九电容两端并联第十三电阻，第十电容两端并联第十四电阻，第十三电阻和第十四电阻分别为第九电容和第十电容均压。
5.根据权利要求4所述的五电平逆变的直流电源，其特征是，所述的滤波电路的输出端输出 直流电压。
专利摘要本实用新型公开一种电力电子技术领域的五电平逆变的直流电源，包括分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路为两个降压变压器串联，两端与开关电路的输出端相连，整流电路的后级为两个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。本实用新型输入电压等级高，输出直流电压稳定，电路结构简单，开关应力小，变压器设计简化，电源利用率高，供电质量好，稳定性和安全系数较高，成本低，适合地铁动车高铁等高压高速的应用场合。
文档编号H02M7/483GK202652072SQ20122012434
公开日2013年1月2日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者陆飞, 王男, 杨喜军 申请人:上海交通大学