專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于變電站直流電源成套裝置的高頻開(kāi)關(guān)整流器。
電力系統(tǒng)的變電站廣泛采用由蓄電池組成的直流控制電源，蓄電池需要定期進(jìn)行充電，這就需要將交流動(dòng)力電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫吹碾娫囱b置，通常稱(chēng)之為整流器。整流器除為蓄電池組充電外，還提供常用控制負(fù)荷的用電。
國(guó)內(nèi)外電力直流電源成套裝置中使用的整流器大多是晶閘管相控整流器，由工頻變壓器、晶閘管整流橋、濾波電感和電容組成，工頻變壓器實(shí)現(xiàn)整流器與電網(wǎng)的隔離，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角改變輸出電壓，滿(mǎn)足蓄電池不同工況時(shí)的要求。由于這種整流器是在工頻情況下進(jìn)行電壓變換，體積大、笨重，另外其電氣性能指標(biāo)，比如穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度、紋波電壓系數(shù)較低、噪音大，難以滿(mǎn)足閥控密封鉛酸蓄電池的充電要求。
目前，為改進(jìn)晶閘管相控整流器的上述缺陷，有電力高頻開(kāi)關(guān)整流器，其由輸入整流濾波、逆變電路、高頻變壓器、高頻整流和輸出濾波電感、電容組成。輸入整流濾波將工頻交流整流，經(jīng)電容或電感電容濾波變?yōu)橹绷?，逆變電路將直流變?yōu)楦哳l方波脈沖(PWM脈沖)，由高頻變壓器進(jìn)行電壓變換和實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離，經(jīng)高頻整流和輸出電感、電容濾波，獲取所需的直流，輸出電壓的改變通過(guò)調(diào)整PWM脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)。與相控整流器相比，具有體積小、重量輕、穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高、紋波電壓系數(shù)小、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在以下缺陷1)由于輸入部分采用電容濾波，只有在交流電網(wǎng)電壓高于濾波電容兩端電壓時(shí)，濾波電容才開(kāi)始充電，因此輸入電流波形是寬度很窄的脈沖，這種電流的諧波分量很大，輸入總諧波失真可高達(dá)100％～130％，功率因數(shù)只有0．6～0．7。盡管可以采用電感、電容濾波方法進(jìn)行補(bǔ)償，功率因數(shù)仍然低于0．92的水平。低功率因數(shù)的開(kāi)關(guān)整流器存在許多問(wèn)題諧波電流污染電網(wǎng)，干擾變電站其他二次用電設(shè)備，造成測(cè)量?jī)x表產(chǎn)生較大誤差；另外，在輸出功率一定的情況下，輸入電流的有效值較大，必須增加電源線、輸入熔斷器和斷路器的規(guī)格。
2)經(jīng)電容濾波后的直流電壓會(huì)隨著電網(wǎng)電壓的波動(dòng)而變化，為保證整流器在很寬的電網(wǎng)電壓范圍內(nèi)工作，比如電網(wǎng)電壓變化±20％，PWM脈沖的占空比必須在很大范圍內(nèi)變化，從而增加整流器控制方式的不穩(wěn)定性。
3)逆變部分的高頻開(kāi)關(guān)元件通常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)，場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通特性可等效為阻性，在大電流的情況下，產(chǎn)生很大的功率損耗，該損耗以熱的形式耗散場(chǎng)效應(yīng)管的管芯中，需要增大外加散熱器的面積來(lái)降低管芯溫度。
本實(shí)用新型的目的在于提供一種具有高功率因數(shù)的電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，拓寬交流輸入電壓范圍。
本實(shí)用新型的第二個(gè)目的是提供一種具有高效率的電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的有源功率因數(shù)校正器(1)和直流-直流變換器(2)兩部分串聯(lián)組成整流器，并安裝在散熱器(3)上，有源功率因數(shù)校正器(1)將交流輸入變換為400V左右的直，直流-直流變換器(2)將400V直流經(jīng)逆變、電壓變換隔離、整流為220V左右的直流輸出，其特征是有源功率因數(shù)校正器(1)采用平均電流型控制器。
所用的直流-直流變換器(2)采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
為了達(dá)到第二個(gè)目的，本實(shí)用新型的有源功率因數(shù)校正器(1)和直流-直流變換器(2)采用warp系列絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
所用的直流直流變換器(2)采用隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器(4)。
為了完成本實(shí)用新型的其它目的，有源功率因數(shù)校正器(1)的開(kāi)關(guān)管由控制芯片直接驅(qū)動(dòng)。
所用的直流-直流變換器(2)采用電壓型控制器。
為更好地說(shuō)明本發(fā)明，下面通過(guò)附圖予以詳細(xì)說(shuō)明。
附

圖1是本實(shí)用新型的外型剖面圖。
附圖2是有源功率因數(shù)校正器的電氣原理示意圖。
附圖3是專(zhuān)為絕緣柵雙極晶體管半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器的電氣原理示意圖。
其中圖號(hào)
1有源功率因數(shù)校正器；2直流-直流變換器；3散熱器4隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器； 5整流橋6控制器； 7儲(chǔ)能電感；8絕緣柵雙極晶體管9二極管； 10電容； 11脈寬調(diào)制脈沖12二極管； 13驅(qū)動(dòng)管； 1415V電源15驅(qū)動(dòng)變壓器； 16電阻； 17電阻18絕緣柵雙極晶體管；19驅(qū)動(dòng)脈沖； 20二極管
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型予以詳細(xì)說(shuō)明。
有源功率因數(shù)教正器(1)和直流-直流變換器(2)裝配在散熱器(3)上，需要散熱的功率器件直接和散熱器(3)接觸，隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器(4)裝焊在直流-直流變換器(2)上，交流輸入經(jīng)有源功率因數(shù)校正器(1)變?yōu)楹愣ㄖ绷麟妷海拥街绷?直流變換器(2)的輸入端，經(jīng)過(guò)變換變?yōu)樗柚绷鬏敵觥?br> 有源功率因數(shù)校正器(1)采用升壓變換方式，主要由整流橋(5)、儲(chǔ)能電感(7)、絕緣柵雙極晶體管(8)、二極管(9)、濾波電容(10)和控制器(6)組成?？刂破?6)采用平均電流型雙環(huán)控制，實(shí)時(shí)采集交流整流后的電壓、電流波形和濾波電容(10)兩端的直流電壓信號(hào)，綜合處理后轉(zhuǎn)變成脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，控制絕緣柵雙極晶體管(8)的導(dǎo)通或關(guān)斷。絕緣柵雙極晶體管(8)導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電感(7)中的電流線性上升，當(dāng)電流的波形與整流后的電壓波形相交時(shí)，控制器(6)的信號(hào)使絕緣柵雙極晶體管(8)關(guān)斷，儲(chǔ)能電感(7)兩端的自感電勢(shì)使二極管(9)導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感(9)通過(guò)二極管(9)對(duì)濾波電容(10)放電，儲(chǔ)能電感(7)中的電流線性下降，當(dāng)電流下降到零后，控制器(6)使絕緣柵雙極晶體管(8)再次導(dǎo)通，重復(fù)上述過(guò)程，從而控制輸入電流平均值始終跟隨輸入電壓的波形，即輸入電壓與輸入電流同相，使功率因數(shù)接近于1。
warp系列絕緣柵雙極晶體管是一種新型的功率開(kāi)關(guān)元件，與以往的同類(lèi)器件相比，導(dǎo)通損耗更小，開(kāi)關(guān)速度更快；與場(chǎng)效應(yīng)功率管相比，開(kāi)關(guān)速度略低，但導(dǎo)通損耗小。為了發(fā)揮這種功率開(kāi)關(guān)元件的潛力，保證直流-直流變換器(2)中絕緣柵雙極晶體管的可靠關(guān)斷，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可靠的高速隔離驅(qū)動(dòng)器(4)。脈寬調(diào)制脈沖(11)的高電平使驅(qū)動(dòng)管(13)導(dǎo)通，15V電電源(14)加在驅(qū)動(dòng)變壓器(15)的初級(jí)線圈兩端，次級(jí)線圈兩端耦合出相位的15V電壓，通過(guò)電阻(16)驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管(18)。在脈寬調(diào)制脈沖(11)的后沿，驅(qū)動(dòng)管(13)關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)變壓器(15)初級(jí)繞組的電流通過(guò)輔助繞組和二極管(12)放電，在次級(jí)繞組兩端感應(yīng)出-15V電壓，該電壓通過(guò)電阻(16)向絕緣柵雙極晶體管(18)的柵電容反向快速充電，使其柵極電壓迅速由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓，在很短的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷；然后柵極電荷和驅(qū)動(dòng)變壓器(15)次級(jí)的感應(yīng)電流通過(guò)電阻(17)和二極管(20)放電，使絕緣柵雙極晶體管(18)的柵極負(fù)電壓升高，在下一次導(dǎo)通之前，柵極電壓變?yōu)榱恪Ｔ摳咚俑綦x驅(qū)動(dòng)器是本實(shí)用新型中實(shí)現(xiàn)絕緣柵雙極晶體管快速關(guān)斷、提高整流器效率的關(guān)鍵部分。
與目前的電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器相比，本實(shí)用新型至少具有下述技術(shù)優(yōu)越性1)可以大幅度提高整流器的功率因數(shù)(大于0．99)，降低諧波失真(小于5％)。
2)可以提高整流器的效率，以1．5kW整流器為例，效率可以提高到92％以上。
本實(shí)用新型由于采用了有源功率因數(shù)校正器(1)、半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流-直流變換器(2)、新型warp系列絕緣柵雙極晶體管(8、18)和高速隔離雙電壓驅(qū)動(dòng)器(4)，提高了整流器的功率因數(shù)，降低了功率損耗，消除了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，可在變電站直流電源成套裝置中廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求1．一種高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，由有源功率因數(shù)校正器(1)和直流-直流變換器(2)串聯(lián)組成，安裝在散熱器(3)上，有源功率因數(shù)校正器(1)將交流輸入變換為400V左右的直，直流-直流變換器(2)將400V直流經(jīng)逆變、電壓變換隔離、整流為220V左右的直流輸出，將其特征是有源功率因數(shù)校正器(1)采用平均電流型雙環(huán)控制器。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，其特征是直流直流變換器(2)采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，其特征是有源功率因數(shù)校正器(1)和直流-直流變換器(2)采用warp系列絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為高頻開(kāi)關(guān)元件。
4．根據(jù)權(quán)利1所述的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，其特征是直流-直流變換器(2)采用隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器(4)。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，其特征是有源功率因數(shù)校正器(1)的開(kāi)關(guān)管由控制芯片直接驅(qū)動(dòng)。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器，其特征是直流-直流變換器(2)采用電壓型控制器。
專(zhuān)利摘要一種用于電力直流電源成套裝置的高效電力直流高頻開(kāi)關(guān)整流器,由有源功率因數(shù)校正器、直流－直流變換器組成,由平均電流型雙環(huán)控制方式控制的功率因數(shù)校正器對(duì)交流輸入電流波形進(jìn)行校正,使之跟隨輸入電壓變化,功率因數(shù)可達(dá)0.99以上,消除整流器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,整流器中的開(kāi)關(guān)元件采用新型電力半導(dǎo)體器件和專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的隔離單端雙電壓高速驅(qū)動(dòng)器,降低開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)損耗,提高整流器效率,具有使用可靠、體積小、成本低之優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于電力直流電源成套裝置。
文檔編號(hào)H02J3/18GK2430810SQ0020085
公開(kāi)日2001年5月16日 申請(qǐng)日期2000年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月20日
發(fā)明者張國(guó)君, 王學(xué)禮, 林波, 隋魯波, 王偉 申請(qǐng)人:煙臺(tái)東方電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 煙臺(tái)東方玉麟電子有限公司