一种新型高压矿用电源主电路拓扑的制作方法

1.本发明涉及电源电路技术领域，尤其涉及一种新型高压矿用电源主电路拓扑。


背景技术：

2.目前，在高压矿用电源领域(包括采煤及采石等)，主电路采用工频升压及半波整流对高压电容进行充电，然后采用气体开关进行放电，给后级的能量爆破负载提供泵浦能量，完成冲击波的释放。这种电源方案存在的问题是：精度低、寿命短，一致性差，而且电磁干扰很大，难以进行批量的工程应用推广。
3.现有技术方案如图1所示。采用工频升压方式进行升压，然后采用高压硅堆整流，给高压电容器充电。高压电容通过开关放电后，将储能释放至负载。图中，t1为高压工频变压器；d1为高压工频整流硅堆；c1为高压储能电容；s1为高压气体开关；r1为主电路电阻；r2为爆破负载。
4.现有技术方案存在以下缺陷：
5.(1)开关寿命短、维护困难。现有技术方案采用气体开关，气路控制复杂，电极寿命只有几千发次，更换电极时需要发回生产厂家，周期长；
6.(2)可靠性差。大能量放电后，高压干扰可通过地线传递至变压器副边，造成变压器或者高压硅堆损坏；
7.(3)体积大、效率低。因为主回路采用工频变压器升压，所以产品体积普遍较大；
8.(4)负载适应性差。缺少波形调制元件，带不同负载时，输出波形一致性较差。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种新型高压矿用电源主电路拓扑，主电路放电开关选用高压固态开关，为高压固态开关设置保护电路，矿用充电电源采用高频开关电源，并采用软开关技术，充电电源与高压储能电容间设置t型保护电路，放电冲击不会影响充电电源。
10.为达到上述目的，本发明提供了一种新型高压矿用电源主电路拓扑，包括开关电源、t型保护回路、储能电容、固态开关组件、高压保护电路、调波电感以及爆破负载；
11.开关电源通过所述t型保护电路对所述高压储能电容进行充电；所述储能电容、固态开关、调波电感以及爆破负载连接形成放电回路；高压保护电路用于保护所述高压固态开关及所述储能电容；
12.所述储能电容充电完成后，固态开关导通；所述调波电感对所述爆破负载进行泵浦激励，完成冲击波的释放。
13.进一步地，所述t型保护回路包括第一电阻、第二电阻以及第一高压硅堆；
14.所述第一电阻一端连接所述开关电源的正极，另一端连接第二电阻的一端以及第一高压硅堆的负极，所述第一高压硅堆的正极连接所述开关电源的负极，所述第二电阻的另一端连接所述储能电容的正极，所述储能电容的负极连接所述开关电源的负极。
15.进一步地，所述高压保护电路包括第二高压硅堆、第三高压硅堆、第四高压硅堆；所述第二高压硅堆的负极连接所述储能电容的正极，所述第二高压硅堆的正极连接所述储能电容的负极；所述第三高压硅堆的负极连接所述第二高压硅堆的负极，所述第三高压硅堆的正极连接所述固态开关调波电感的一端；所述第四高压硅堆的负极连接所述固态开关调波电感的一端，所述第四高压硅堆的正极连接所述储能电容的负极。
16.进一步地，所述开关电源包括主开关、emi滤波电路、软启动电路、第一整流桥、逆变电路、隔离升压电路、整流电路以及稳压电路；
17.所述主开关，实现交流输入的通断切换；
18.所述emi滤波电路，对输入的交流电进行滤波；
19.所述软启动电路，实现输入的软启动；
20.所述第一整流桥，对输入的交流电整流为直流电；
21.所述逆变电路，将所述直流电逆变为交流电；
22.所述隔离升压电路，将逆变后的交流电进行升压；
23.所述整流电路对升压后的交流电整流，由所述稳压电路稳压后输出。
24.进一步地，所述逆变电路，包括：电感l1、电容c1、电容c2组成初级储能滤波单元，均压电阻r1和r2、h桥、谐振电感lr以及谐振电容cr；
25.电感l1一端连接所述第一整流桥正输出端，电感l1另一端连接电容c1的正极，电容c1的负极连接电容c2的正极，电容c2的负极连接所述第一整流桥负输出端；均压电阻r1与电容c1并联，均压电阻r2与电容c2并联；
26.所述h桥由四个igbt组成；
27.电容c1的正极连接h桥正端，电容c2的负极连接h桥负端；谐振电感lr、谐振电容cr以及变压器的原边串联组成谐振电路，连接在所述h桥的两个桥臂中点之间。
28.进一步地，所述开关电源还包括控制回路，控制回路包括控制单元、驱动单元、检测单元、显示单元以及通讯单元；
29.所述检测单元，采集直流输出电压、直流输出电流、交流输入电压、交流输入电流以及核心部件温度；
30.所述控制单元，用于所述开关电源内部的逻辑控制；当直流输出电压、直流输出电流、交流输入电压、交流输入电流以及核心部件温度超过对应的范围时，输出报警信号；
31.所述驱动单元，用于驱动所述h桥中的igbt；
32.所述显示单元，显示所述开关电源的预置电压和输出直流电压。
33.进一步地，所述开关电源还包括辅助电源，提供整机各个板卡及集成电路所需要的直流电。
34.进一步地，所述固态开关由晶闸管(scr)串并联或者集成门极换流晶闸管(igct)串并联组成开关部分，还包括均压电路、触发电路以及保护电路；
35.所述均压电路包括静态均压电路和动态均压电路，静态均压电路用于导通关断状态的均压，动态均压电路用于脉冲上升沿、下降沿电位动态变换时的均压；
36.所述触发电路用于触发晶闸管(scr)或者集成门极换流晶闸管(igct)；
37.所述保护电路，当固态开关两侧电压超过预设范围时，通过本体的电流超过预设范围时，单体开关状态异常时，输出故障信号。
38.进一步地，第二高压硅堆、第三高压硅堆、第四高压硅堆采用高压大电流二极管或者晶闸管串并联组成，且能够承受主电路拓扑的反向电流幅值。
39.进一步地，电容储能在40kj以下，第二高压硅堆、第三高压硅堆、第四高压硅堆不采用限流电阻；超过40kj串接限流电阻，限流电阻阻值小于等于10欧姆，瞬态吸能量大于等于1kj，限流电阻为无感电阻。
40.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
41.(1)本发明主回路采用高压固态开关，寿命长，可达几十万次，且不需要维护，解决现有技术中高压开关需要更换的问题。
42.(2)本发明主电路拓扑设计时，充分考虑异常状态对主回路器件的影响，无论是开关电源还是高压固态开关，在主回路中，均设置有保护电路，可有效保障系统的稳定可靠运行。解决了现有技术中可靠性差的问题。
43.(3)本发明采用软开关的高频开关电源技术，有效降低产品体积，并提高了效率，充电效率不低于85％。解决了现有技术中体积大及效率低的问题。
44.(4)本发明负载适应性强，主电路拓扑设有波形调制元件，可以调制波形参数，适应不同的负载。解决了现有技术中负载匹配问题。
附图说明
45.图1是现有技术方案主电路拓扑；
46.图2为实施例中优化后的主电路拓扑；
47.图3为高频开关电源电路图。
具体实施方式
48.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
49.在一些实施例中提供一种新型高压矿用电源主电路拓扑，如图2所示。图中，dc为开关电源；r1、d1、r2为t型保护回路；c1为储能电容；s1为固态开关组件；d2为高压保护硅堆；d3为高压保护硅堆；d4为高压保护硅堆；l1为调波电感；r为爆破负载。
50.系统工作原理为，开关电源通过t型保护电路对高压储能电容进行充电，充电完成后，高压固态开关导通，通过l1调波电感对爆破负载进行泵浦激励，完成冲击波的释放。d2、d3、d4组成保护电路，用于保护固态开关s1及储能电容c1。主要部件功能原理如下：
51.(1)开关电源dc，原理拓扑如图3所示。
52.图3中，开关电源dc为高压充电机，主要包括主回路及控制回路。主回路包括输入控制、emi滤波、软启动、高频dc/ac逆变电路、高压隔离升压、高频整流等部分组成。控制回路包括控制单元、驱动单元、显示单元、检测单元、通讯单元等部分组成。
53.主回路中，k1为主开关，实现主回路通断切换功能，根据控制回路的操作节点来进行执行；emi滤波实现输入交流电的滤波功能，由2级共模滤波组成；软启动电路实现主回路的输入软起功能，减小后一级电路对输入电源的起动冲击；b1为整流桥，实现主电路ac/dc
变换功能；l1、c1、c2组成初级储能滤波单元，实现能量初级储能及滤波功能，r4、r5为均压电阻；s1、s2等组成逆变电路，包括谐振电感lr、谐振电容cr等，可采取双管半桥及4管全桥等拓扑，采用串联谐振软开关技术、实现高精度的高频载波调制，输出可控的交流功率；t1为高压高频变压器，实现一次侧和二次侧的高压隔离、电压升压功能；d1～d4组成高频整流电路，高频整流电路把交流脉动波整流成直流脉动波形，对后一级的储能电容(c5)进行充电。
54.控制回路中，控制单元实现充电机的内部逻辑控制、状态检查、故障处理、通讯处理、参数设定、采样后的数据处理等功能。控制单元控制正常的充电运行过程以及故障状态下的保护；监测核心部件(如igbt)的温度，超过设定阈值输出报警信号；监测高压直流母线电压及电流，超过预设范围输出报警信号；监测交流输入电流和电压，超过设定范围输出报警信号；与上位机通讯交互，接收指令，实现遥控、遥测、遥信、遥调。驱动单元实现逆变桥驱动信号的产生等功能；显示单元显示充电机的预置电压和充电电压；通讯单元主要包括光纤转换模块，实现通讯接口的转换；检测单元包括输入交流电压和交流电流采样、直流输出电压采样、直流输出电流采样、核心部件(如igbt)的温度采集等部分电路组成。
55.辅助电源提供整机的内部各主要功能单元弱电回路的供电电源，提供整机各个板卡及集成电路所需要的直流电，包括+24v、+12v、-12v、+5v等电源。
56.开关电源采用串联谐振软开关技术，稳定可靠，效率超过85％；输入电压可涵盖220v、380v、660v等，输出电压为0～100kv。
57.(2)t型保护电路
58.如图2所示，t型保护电路包括r1、d1、r2。t型保护电路的主要作用是防止主开关k1开通时，高压电位的振荡或其他过程中产生的高电位导致开关电源损坏。阻值越大，抑制振荡的效果越好，即保护作用越好，但充电功耗就会越大，反之，阻值越小，充电功耗就越小，但抑制振荡的能力就会越小。通常取值范围为10ω～200ω；高压保护硅堆的选择原则是电压耐受能力强，抗冲击电流能力强，电压耐受值不低于2倍的母线电压值，电流耐受值由主回路参数统筹决定，包括主电路电容、电压及阻值。
59.(3)固态开关及其保护电路。
60.如图2所示，s1为高压固态开关，采用晶闸管(scr)串并联或者集成门极换流晶闸管(igct)串并联组成，并同时包含均压电路、触发电路及保护电路等。均压电路包括静态均压电路(r)、动态均压电路(r+c)，静态均压电路用于导通关断状态的均压，动态均压电路用于脉冲上升沿、下降沿电位动态变换时的均压。触发电路用于触发晶闸管(scr)或者集成门极换流晶闸管(igct)，包括电触发电路模式、光触发电路模式，根据不同的应用场景选择不同的触发模式。所述保护电路，当固态开关组件两侧电压超过预设范围时，通过本体的电流超过预设范围时，单体开关状态异常时，输出故障信号。
61.(4)高压保护电路。
62.如图2所示，d2、d3、d4组成高压保护电路，主要包括高压开关s1及高压储能电容c1。保护机理如下：
63.1)d2高压硅堆组件，采用高压大电流硅堆或者晶闸管串并联组成，能够满足承受计算的反向电流幅值。用于消除来自后侧的反向电流冲击，启动保护高压电容c1的目的，可根据具体的主回路参数来确定d2的值，并根据具体的冲击电流确定是否需要串接限流电阻
r。在一个实施例中，储能电容c1在40kj以下，不采用限流电阻，超过串接限流电阻，限流电阻阻值小于等于10欧姆，瞬态吸能量大于等于1kj，限流电阻为无感电阻。
64.2)d3、d4高压硅堆组件，采用高压大电流硅堆或者晶闸管串并联组成，用于保护高压固态开关s1，d3用于消除反向电压冲击，d4用于高压开关导通前的正向耐受电压分配以及开关导通后的负载侧反向电流、电压冲击。根据具体的主回路参数来确定d3、d4的值，并根据具体的冲击电流确定是否需要串接限流电阻r。在一个实施例中，储能电容c1在40kj以下，不采用限流电阻，超过串接限流电阻，限流电阻阻值小于等于10欧姆，瞬态吸能量大于等于1kj，限流电阻为无感电阻。d3、d4的值要求能够满足承受计算的反向电流幅值。
65.(5)调波电感。
66.如图2所示，l1为调波电感，主要作用如下：
67.1)负载匹配。调波电感内部由l+r组成，可通过调整l或者r的值，用于匹配负载阻抗，达到最优输出。调整过程中负载固定，负载爆破的冲击波达到最佳冲击要求，选择的调试指标为负载的峰值电流及脉冲功率最大。
68.2)保护高压开关。调波电感的存在，可以有效控制di/dt，防止电流爬升过快导致开关损坏。在一个实施例中di/dt≤3.5ka/μs。
69.综上所述，本发明涉及一种新型高压矿用电源主电路拓扑，包括开关电源、t型保护回路、储能电容、高压固态开关组件、高压保护电路、调波电感以及爆破负载；开关电源通过所述t型保护电路对所述高压储能电容进行充电；储能电容、固态开关、调波电感以及爆破负载连接形成供电回路；高压保护电路用于保护高压固态开关及储能电容；调波电感匹配爆破负载，完成冲击波的释放。本发明主回路采用高压固态开关，寿命长，可达几十万次，且不需要维护；开关电源及固态开关，均设置有保护电路，可有效保障系统的稳定可靠运行。采用软开关的高频开关电源技术，有效降低产品体积，并提高了效率；设有波形调制元件，可以调制波形参数，适应不同的负载。
70.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。