专利名称：电压连续可调大功率高精度电源的制作方法
电压连续可调大功率高精度电源技术领域
本发明属于大功率直流电源领域，尤其是一种电压连续可调大功率高精度电源。
技术背景
大功率直流电源是电力电子装置的一类设备，其作用是将交流电能变为直流电 能，供给直流用电设备。例如，直流电动机调速装置、电解电镀电源、同步电机励磁、通讯发 射系统电源等等，因此，大功率直流电源具有十分广泛的用途。随着时代的发展，越来越多 的领域需要高精度高动态性能的大功率直流电源，但是传统的大功率直流电源通常采用斩 波器的方式，其存在的问题是电压稳定性及精度不高且动态响应速度慢等问题，难以满足 实际需要。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电压稳定、精度高且动态响应 速度快的电压连续可调大功率高精度电源。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的
一种电压连续可调大功率高精度电源，由输入平波电抗器(1)、整流桥O)、预充 电回路(3)、共模抑制电抗器G)、输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VMlj^ 率单元组(6)、输出电解电容与放电装置(7)和输出电压检测模块VM2依次连接构成，输入 电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VM1、功率单元组(6)、输出电解电容与放电装 置(7)及输出电压检测模块VM2还分别与控制器模块(8)相连接。
而且，所述的功率单元组(6)由多个功率单元(9)并联组成且各个功率单元错相 并联运行，通过功率单元组(6)上的功率扩展端口(10)和控制器模块(8)上的控制扩展端 口(11)扩展功率输出容量。
而且，所述的功率单元组(6)还并联有冗余功率单元。
而且，所述的功率单元由绝缘栅型场效应管IGBT、隔直电容、变压器、霍尔电流传 感器、二极管两相全波整流桥、滤波电抗器、薄膜电容连接构成。
而且，所述的霍尔电流传感器采用LA100-P传感器。
而且，所述的控制器模块⑶由FPGA芯片、与输入电压检测模块VMl相连接的电 压采集芯片、与功率单元组(6)相连接的电流采集芯片、与输出电压检测模块VM2相连接的 电压采集芯片及与输出电路相连接的电流采集芯片组成，FPGA芯片还分别通过放电脉冲与 输入电解电容与放电装置(5)中的输入放电单元相连接及输出电解电容与放电装置(7)中 的输出放电单元相连接。
而且，所述的FPGA芯片采用的是CYCL0NEIII系列EP3C10，所述与输入电压检 测模块VMl相连接的电压采集芯片使用的是高速AD芯片ADS1204，所述与输出电压检测 模块VM2相连接的电压采集芯片使用的是高精度快速AD7691采样芯片，所述与功率单元 组(6)相连接的电流采集芯片和与输出电路相连接的电流采集芯片采用的是高速AD芯片AD7276。
而且，所述的整流桥O)由主接触器和二极管三相全波整流桥连接构成；所述的 预充电回路(3)由预充电接触器、预充二极管三相全波整流桥和限流电阻连接构成；所述 的共模抑制电抗器由共模抑制电感和滤波电容连接构成。
而且，所述的输入电解电容与放电装置(5)由输入电解电容、均压电阻、输入放电 单元和放电电阻连接构成。
而且，所述的输出电解电容与放电装置(7)由输出电解电容、输出放电单元和放 电电阻连接构成。
本发明的优点和积极效果是
1、本大功率高精度电源采用移相全桥控制技术，实现了输出电压与输入电压的隔 离功能，采用大规模门阵列FPGA作为控制器模块核心并配置高精度的AD采样芯片，能够同 时对多路功率单元的移相全桥控制，使得工作频率达到14 20kHz，实现了电压连续可调 功能，降低了器件损耗，提高了系统效率与可靠性，具有系统集成度高、处理速度快、控制方 式灵活的特点，并可非常方便地调节保护值等参数。
2、本大功率高精度电源采用功率单元并联构成功率单元组，具有功率级别的可扩 展性，通过预留扩展接口可以很容易地实现功率等级的提升。
3、本大功率高精度电源采用功率单元错相控制策略以及每个单元中较小的输出 电抗电感值，使得输出电压精度高、动态响应快，同时具有高动态、静态指标。
4、本大功率高精度电源的功率单元组还设置一组冗余功率单元，当某个功率单元 出现故障，此功率单元自动退出，整机系统仍可正常运行，保证了电源的可靠性。
5、本大功率高精度电源在输入端加入共模抑制电抗器，能有效地抑制线路的共模 干扰，提高系统的抗干扰能力，同时也减小了 IGBT的开关动作对电网其他用电设备的干 扰。
图1是本发明的电路原理图2是功率单元的电路原理图3是本发明的控制原理图4是错相控制触发脉冲图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述
一种电压连续可调大功率高精度电源，如图1所示，由输入平波电抗器(1)、整流 桥(2)、预充电回路C3)、共模抑制电抗器(4)、输入电解电容与放电装置( 、输入电压检测 模块VM1、功率单元组(6)、输出电解电容与放电装置(7)和输出电压检测模块VM2依次连 接构成，输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VM1、功率单元组(6)、输出电解 电容与放电装置(7)及输出电压检测模块VM2分别与控制器模块(8)相连接。功率单元组 (6)由若干功率单元(9)并联组成，各个功率单元错相并联运行，功率单元组(6)设置有功 率扩展端口，控制器模块(8)还设置有控制扩展端口，通过增加功率单元数并使用控制扩4展端口(10)和功率扩展端口(11)扩展功率输出容量，也可以通过减少功率单元数降低功 率输出容量。功率单元组功率还包括冗余功率单元，当某个功率单元出现故障，由控制器模 块封锁该功率单元，保证整个电源仍可正常运行。
输入平波电抗器(1)采用平波电抗器IL并与三相380V交流电源相连接，其采用 空冷形式来抑制电流变化率。
整流桥O)由主接触器IK和二极管三相全波整流桥IZL连接构成。
预充电回路C3)由预充电接触器1K1、预充二极管三相全波整流桥3ZL和限流电阻 1RU1R2连接构成。
共模抑制电抗器由共模抑制电感3L和滤波电容ICl 1C6连接构成，采用 共模抑制电抗器能够有效地抑制线路的共模干扰，提高系统的抗干扰能力，同时也减小了 IGBT的开关动作对电网其他用电设备的干扰。
输入电解电容与放电装置(5)由输入电解电容1CQ1、1CQ2、均压电阻1R3、1R4、输入 放电单元IV和放电电阻IR连接构成。
输出电解电容与放电装置(7)由输出电解电容Co、输出放电单元2V和放电电阻 2R连接构成。
所述的控制器模块⑶由FPGA芯片、与输入电压检测模块相连接的电压采集芯 片、与功率单元组相连接的电流采集芯片、与输出电压检测模块相连接的电压采集芯片及 与输出电路相连接的电流采集芯片组成，FPGA芯片还通过放电脉冲与输入电解电容与放电 装置(5)中的输入放电单元相连接，对输入电解电容与放电装置(5)进行放电控制，FPGA芯 片还通过放电脉冲与输出电解电容与放电装置(7)中的输出放电单元相连接，对输出电解 电容与放电装置(7)进行放电控制。在本实施例中，FPGA芯片采用ALTERA公司CYCL0NEIII 系列EP3C10，与输入电压检测模块相连接的电压采集芯片使用的是高速AD芯片ADS1204， 与输出电压检测模块相连接的电压采集芯片使用的是高精度快速AD7691采样芯片，与功 率单元组相连接的电流采集芯片和与输出电路相连接的电流采集芯片采用的是高速AD芯 片AD7276，该电流采集芯片的采样速率高达2MSPS，能够很好地满足电流的快速响应特性。 控制器模块(8)与功率单元(9)采用电缆进行连接，期间传输的信号包括控制器模块(8) 发出的功率单元驱动信号和功率单元(9)中反馈的霍尔电流信号等。
功率单元组(6)中的功率单元(9)，如图2所示，由四个绝缘栅型场效应管IGBT Vl V4、隔直电容C3、霍尔电流传感器II、薄膜滤波电容Cl、变压器T、二极管两相全波 整流桥、滤波电抗器L和输出薄膜电容C2连接构成，二极管两相全波整流桥由四个二极管 Dl D4及滤波电阻R和滤波电容C连接构成。其中薄膜滤波电容Cl用于滤除高频电压 纹波；输出薄膜电容C2采用440uF薄膜电容滤波，其与0. IF电解电容Co并联，很好地滤掉 了输出电压纹波；变压器输入侧的隔直电容C3选用200uF薄膜电容，能够滤除掉变压器激 磁电流中的直流分量，可有效地防止变压器饱和偏磁，使系统稳定的运行；霍尔电流传感器 Il采用LEM公司LA100-P进行电流检测，其响应时间小于luF，具有较高的响应速度。功率 单元采用移相全桥控制方式，工作频率为14 20kHz，实现了 IGBT的软开关，降低了器件损 耗，提高了系统效率与可靠性，并实现了输出电压与输入电压的隔离，保护了输入电网的安 全。功率单元组采用移相全桥多单元错相并联技术，如图4所示的错相控制触发脉冲图，在 图中η个功率单元，每个功率单元错相360° /n电角度。由于采用了错相并联技术，总电流纹波减小，功率单元所需输出滤波电感值降低，从而有效地降低输出电压纹波，这样大大地 提高了电流的响应速度，增强了系统动态性能。
采用如上的这些技术后，本电源输出电压为0 360V，最大输出电流850A，纹波电 压小于0. 1%，电压调整率小于2%。
本发明的工作原理为三相380V电压输入，首先闭合预充电接触器IKl为输入 端电容1Co1、1CO2充电，输入电压信号通过输入电压检测模块送到控制器(8)中AD芯片 ADS1204, ADS1204通过转换把模拟量转换为数字量并送到FPGA中；当电容电压达到480V 后，FPGA控制主接触器IK吸合完成上电过程。输入电压上电过程结束后，调节电压给定值 的大小后，实际的输出电压(图1的Co)通过AD7691芯片把数据采集到FPGA中，FPGA用 给定值减去反馈值(如图3所示)，然后把差值送到PI调节器中，调节器输出的结果加上前 馈值得出电流给定值，电流给定值与单元电流反馈值作比较，形成移相角，控制输出电流的 大小。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并 不限于具体实施方式
中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出 的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
权利要求
1.一种电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于由输入平波电抗器(1)、整流桥 O)、预充电回路(3)、共模抑制电抗器G)、输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模 块VM1、功率单元组(6)、输出电解电容与放电装置(7)和输出电压检测模块VM2依次连接 构成，输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VM1、功率单元组(6)、输出电解电 容与放电装置(7)及输出电压检测模块VM2还分别与控制器模块(8)相连接。
2.根据权利要求1所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的功率 单元组(6)由多个功率单元(9)并联组成且各个功率单元错相并联运行，通过功率单元组 (6)上的功率扩展端口(10)和控制器模块(8)上的控制扩展端口(11)扩展功率输出容量。
3.根据权利要求2所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的功率 单元组(6)还并联有冗余功率单元。
4.根据权利要求2或3所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的 功率单元由绝缘栅型场效应管IGBT、隔直电容、变压器、霍尔电流传感器、二极管两相全波 整流桥、滤波电抗器、薄膜电容连接构成。
5.根据权利要求4所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的霍尔电流传感器采用LA100-P传感器。
6.根据权利要求1所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的控制器模块(8)由FPGA芯片、与输入电压检测模块VMl相连接的电压采集芯片、与功率单元组 (6)相连接的电流采集芯片、与输出电压检测模块VM2相连接的电压采集芯片及与输出电 路相连接的电流采集芯片组成，FPGA芯片还分别通过放电脉冲与输入电解电容与放电装置 (5)中的输入放电单元相连接及输出电解电容与放电装置(7)中的输出放电单元相连接。
7.根据权利要求6所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的FPGA 芯片采用的是CYCL0NEIII系列EP3C10，所述与输入电压检测模块VMl相连接的电压采集芯 片使用的是高速AD芯片ADS1204，所述与输出电压检测模块VM2相连接的电压采集芯片使 用的是高精度快速AD7691采样芯片，所述与功率单元组(6)相连接的电流采集芯片和与输 出电路相连接的电流采集芯片采用的是高速AD芯片AD7276。
8.根据权利要求1所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的整流 桥O)由主接触器和二极管三相全波整流桥连接构成；所述的预充电回路(3)由预充电接 触器、预充二极管三相全波整流桥和限流电阻连接构成；所述的共模抑制电抗器由共 模抑制电感和滤波电容连接构成。
9.根据权利要求1所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的输入 电解电容与放电装置(5)由输入电解电容、均压电阻、输入放电单元和放电电阻连接构成。
10.根据权利要求1所述的电压连续可调大功率高精度电源，其特征在于所述的输出 电解电容与放电装置(7)由输出电解电容、输出放电单元和放电电阻连接构成。
全文摘要
本发明涉及一种电压连续可调大功率高精度电源，其技术特点是由输入平波电抗器(1)、整流桥(2)、预充电回路(3)、共模抑制电抗器(4)、输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VM1、功率单元组(6)、输出电解电容与放电装置(7)和输出电压检测模块VM2依次连接构成，输入电解电容与放电装置(5)、输入电压检测模块VM1、功率单元组(6)、输出电解电容与放电装置(7)及输出电压检测模块VM2还分别与控制器模块(8)相连接。本发明实现了电压连续可调功能，降低了器件损耗，提高了系统效率与可靠性，具有系统集成度高、处理速度快、控制方式灵活的特点，并可非常方便地调节保护值等参数。
文档编号H02M3/335GK102035377SQ201010609538
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者尤轶, 徐道恒, 李钊 申请人:天津天传电气有限公司, 天津电气传动设计研究所