变电站用高频开关电源装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种变电站用高频开关电源装置，采用软开关技术和数字化控制技术相结合，DC／DC变换器(1)输出端连接有电流采样装置(2)和电压采样装置(3)，采样装置的输出信号进入控制器(4)，由控制器(4)控制驱动器(5)，并由驱动器(5)驱动DC／DC变换器(1)的高频逆变电路(7)中开关管的通断，经高频变压器(8)和整流滤波电路(9)输出48V、24V、5V等电压等级供变电站用直流电，辅助电源(6)为整个装置提供电源，控制器(4)采用DSP数字控制芯片。该装置在变电站用电力操作电源高频化的基础上提高了转换效率和可靠性。
【专利说明】变电站用高频开关电源装置
【技术领域】
[0001]电力操作电源又称电力工程直流电源，主要用于各级变电站及火力、水力发电厂，作为控制负荷和动力负荷以及直流事故照明负荷等的电源，是电力系统控制、保护的基础。本实用新型涉及一种新型的的变电站高频开关电力操作电源。
【背景技术】
[0002]现有的变电站电力操作电源中，移相全桥ZVS变换器以其结构简单、控制方便、损耗小的优势在变电站高频开关电力操作电源中得到广泛应用。移相全桥ZVS变换器主要是利用主电路中变压器原边串联的辅助电感或者变压器原边的漏电感和开关管寄生输出电容的特性实现开关管的零电压开关，控制电路采用模拟电路实现。但这种主电路拓扑的滞后臂零电压开关不易实现，换流期间变压器副边产生占空比丢失，电路中存在较大的环流，从而在开关管和变压器上产生的损耗增加，降低了高频开关电源的工作效率。模拟控制方式存在温度漂移、控制电路复杂、控制精度低的缺点，降低了高频开关电源的可靠性。
实用新型内容
[0003]本实用新型要解决的任务是将一种新型移相全桥软开关变换器应用于变电站电力操作电源中，控制电路采用数字信号处理芯片结合控制算法实现数字控制。软开关技术与数字化智能化控制技术相结合，在电源高频化的基础上进一步提高转换效率以及可靠性。
[0004]本实用新型通 过以下方案实现:
[0005]本实用新型是一种新型的变电站高频开关电力操作电源，总体结构与连接关系如图1所示。DC / DC变换器(I)输出端连接有电流采样装置(2)和电压采样装置(3)，采样装置的输出信号进入控制器⑷，由控制器⑷控制驱动器(5)，由驱动器(5)驱动DC / DC变换器(I)的高频逆变电路(7)中开关管的通断，经高频变压器(8)和整流滤波电路(9)输出48V、24V、5V等电压等级供变电站用直流电，辅助电源(6)为整个装置提供电源。
[0006]1.DC / DC变换器⑴的组成结构如图1所示，它由高频逆变电路(7)，高频变压器(8)以及输出整流滤波电路(9)组成，采用滞后桥臂串联二极管的ZVZCS电路结构，其电路拓扑如图2所示。
[0007]2.电流采样装置(2)采用霍尔电流传感器LA58-P，它与输出滤波电感串联，其采样电路如图3。
[0008]3.电压采样装置(3)采用霍尔电压传感器LV28-P，它并接在DC / DC变换器的最终输出端，其采样电路如图4。
[0009]4.控制器(4)采用DSP数字控制芯片。
[0010]5.驱动器(5)采用EXB841集成芯片，由其驱动开关管IGBT的通断，IGBT驱动电路如图5所示。
[0011]本实用新型与现有技术相比有以下优势:[0012]1.ZVZCS变换器不仅电路结构简单，而且能在任意负载和输入范围内实现滞后臂的零电流开关，主电路的软开关易于实现。
[0013]2.该电路工作时输出有效占空比得到提高，IGBT拖尾电流的影响被消除，减小了原边环流，提高了变换器的效率，整体性能优良，效率在90%以上。
[0014]3.控制电路采用数字控制，消除了常规模拟控制方式存在的温度漂移、控制精度偏低等诸多缺点，只需改变软件程序就可以对控制方案进行修改，提高了系统的控制灵活性，增加了设备的使用功能，使硬件结构和器件的数目大幅度的减少，提高了系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1 一种新型的变电站高频开关电力操作电源结构框图。
[0016]图2ZVZCS变换器主电路图。
[0017]图3霍尔电流传感器电流采样电路图。
[0018]图4霍尔电压传感器电压采样电路图。
[0019]图5驱动器对IGBT的驱动电路图。
[0020]图中，(I)DC / DC变换器，(2)电流传感器，(3)电压传感器，(4)控制器，(5)驱动器，(6)辅助电源，(7)高频逆变部分，(8)高频变压器，(9)整流滤波部分。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作详细说明。
[0022]1.总体实施方式
[0023]如图1所示，DC / DC变换器⑴输出端连接电流采样装置(2)和电压采样装置
(3)，采样装置的输出信号进入控制器(4)，由控制器(4)控制驱动器(5)，并由驱动器(5)驱动DC / DC变换器(I)的高频逆变电路(7)中开关管的通断，经高频变压器(8)和整流滤波电路(9)输出48V、24V、5V等电压等级供变电站用直流电，辅助电源(6)为整个装置提供电源。
[0024]2.DC / DC变换器⑴拓扑结构的选择
[0025]DC / DC变换器⑴选择的是滞后臂串联二极管的移相全桥ZVZCS电路，如图2所示。该电路拓扑是利用阻断电容使变压器原边电流快速复位，滞后臂串联的二极管可以阻止复位后电流反向，并且把电流箝位在零，实现滞后臂ZCS。这种拓扑可以在较大输入电压及负载范围内实现滞后臂ZCS，没有环路损耗、拓扑结构简单、易于设计。
[0026]3.电流采样原理
[0027]电流采样装置⑵运用LEM公司的LA58-P霍尔电流传感器。该电流传感器变比为1:1000，副边额定有效值电流为50mA，原边电流测量范围O?±70A。它完成对图2中输出滤波电感电流进行采样，将获得的采样信号输入到信号调理电路，经滤波和信号调理后送给DSP控制芯片的A / D转换模块。具体实施电路如图3所示。
[0028]4.电压采样原理
[0029]电压采样运用LEM公司的LV28-P霍尔电压传感器检测电压信号，该电压传感器转换率为2500:1000，副边额定有效电流为25mA，电压有效测量范围为IOV?500V。它完成对图2中移相全桥变换器的最终输出电压进行采样，采样得到的信号通过调理电路经过滤波、变换处理送给DSP的A / D转换模块。具体实施电路图如图4所示。
[0030]5.DSP控制芯片的选择
[0031]在该使用新型中，DSP控制芯片的主要作用是完成电压电流信号的A / D转换、PWM波形的生成与输出，提供给开关器件的驱动器。TMS320F2812DSP是TI公司一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP。该芯片具有片内FLASH，适合用于数据处理繁重的测控场合。中央处理器处理数据采用哈佛总线结构模式，取指令、读数据和解数据操作可以在一个周期内同时进行。在本实用新型中体现其优势的性能指标有:
[0032](1)TMS320F2812具有150MHz的主频，时钟周期为6.67ns。处理器速度高，系统在一个单周期内可以完成复杂的控制任务和算法。
[0033](2)采用高性能静态CMOS技术，芯片核心电压为1.8V，接口电压为3.3V，功耗低。
[0034](3)具有16通道、12位的A / D接口，A / D转换速度快，最多可达12.5MSPS的采样带宽，可以灵活设置采样方式。
[0035](4)芯片拥有两个各能产生8路PWM信号的EV模块，其中6路来自EV模块的全比较单元，2路来自通用定时器。
[0036](5)中断资源十分丰富，并拥有56个GPIO 口，其中每个GPIO 口都是复用的，只需对其编程即可选择其应用于通用的数字I/O口或者片内外设的功能引脚。
[0037]6.驱动器的工作原理
[0038]开关管IGBT驱动采用EXB841驱动集成芯片，它具有单电源供电、正负偏压、软关断、过流检测与保护等特性。如图5所示，在6引脚处外接二极管，当检测到过流时，6引脚电压上升，此时封锁脉冲，可以快速的起到保护作用。其输入信号来自DSP控制芯片的EV模块产生的PWM信号。变换器高频逆变电路中每个开关管各由一片EXB841进行驱动。
[0039]7.辅助电源的实现
[0040]采用以UC3842为PWM控制芯片的单端反激式多路输出开关电源，将较高的输入电压降为适合于串联线性调整型电源的较低电压，通过线性调整型电源对反激式多路输出开关电源的电压进行调整，输出+5V / 1.5A，提供给电源芯片TPS767D301，能够产生3.3V和
1.8V两种电压供给DSP芯片；输出土 15V/0.5A提供给霍尔电流和电压传感器。采用4路相互隔离的工频变压器，将交流220V电经降压处理，经整流滤波以及LM317线性电压调整，提供给IGBT所需要的4路20V驱动器电源。
[0041]附录:
[0042]移相全桥ZVZCS变换器数字控制的实现:
[0043]1.变换器小信号模型传递函数
[0044]在Buck变换器的基础上建立滞后臂串联二极管的移相全桥ZVZCS变换器的小信号模型，得出移相全桥ZVZCS变换器的小信号模型的传递函数:
[0045]输出电压A(S)对控制变量有效占空比^sff(S)的传递函数:
【权利要求】
1.变电站用高频开关电源装置，其特征在于:DC/ DC变换器(I)输出端连接有电流采样装置(2)和电压采样装置(3)，采样装置的输出信号进入控制器(4)，由控制器(4)控制驱动器(5)，并由驱动器(5)驱动DC / DC变换器⑴的高频逆变电路(7)中开关管的通断，经高频变压器(8)和整流滤波电路(9)输出48V、24V、5V电压等级的电压供变电站用直流电，辅助电源(6)为整个装置提供电源。
2.根据权利要求1所述的高频开关电源装置，其特征在于:所述DC/ DC变换器(I)采用的是ZVZCS拓扑。
3.根据权利要求1所述的高频开关电源装置，其特征在于:所述电流采样装置(2)、电压采样装置(3)采用霍尔传感器。
4.根据权利要求1所述的高频开关电源装置，其特征在于:所述控制器(4)采用DSP芯片。
5.根据权利要求2所述的高频开关电源装置，其特征在于:所述DC/ DC变换器(I)采用的是滞后桥臂串联二极管的ZVZCS电路。
【文档编号】H02M3/335GK203522540SQ201320607952
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】杨晶晶, 吴明赞, 王德贵, 王立龙, 魏蕾 申请人:南京理工大学