專利名稱：高壓隔離開關電源及多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子領域，為一種高壓隔離開關電源及多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)。
背景技術：
高壓隔離電源，應用于高電壓的電力電子領域，在檢測儀器、儀表、電力電子變流器 中功率半導體器件的驅動等方面，都需要用到原、副邊隔離電壓達到成千上萬伏特的輔助
電源。往往在一臺裝置或儀器中就需要用到多個這樣的隔離電源。傳統(tǒng)的隔離電源一般難 以達到這樣的隔離要求，在超高壓領域(例如100kV)更是制作困難。由于高壓隔離要求的
緣故，用常規(guī)方案制作出的這樣一臺電源，往往其體積大、成本高、效率低下。
專利技術"用于電力電子裝置的多輸出隔離電源"(ZL01145559.4)提供了一種電流源 作為輸入的分布式高壓隔離電源方案，技術上回答了上面提出的超高壓隔離與低成本實現(xiàn) 的問題。由于該專利技術中的二次開側電路采用線性電源旁路方案，當負載空載時將消耗 全部額定功率，而這消耗的功率有產(chǎn)生相應熱量。因此，該方案的電源工作效率比較低， 特別是在負載率不高的情況下。同時，該電源的體積不能太小，需要較大的散熱面積。這 種電源的電路如附圖l所示。
采用開關電源能夠減少消耗，在空載時將整流端用開關旁路，使副邊電源不在電流源 上呈現(xiàn)電壓降。對此已經(jīng)有研究報道的幾種電流型輸入的開關式電源為
一是主電路采用并聯(lián)開關輸出電壓受回差控制，當輸出端電壓過高時，將變壓器副邊 (通過整流器)旁路，使交流電流不在變壓器上產(chǎn)生壓降，從而暫時截斷輸入功率；當輸 出降低到稍低的電壓，旁路開關開路，電源繼續(xù)接收輸入功率。這種方案輸出電壓脈動較 高。參見"多路輸出隔離驅動電路及其在短路限流器中的應用，電源技術應用.2003. 12"。 這種電源的電路如附圖2所示。
二是主電路采用與輸入交流電流同步的并聯(lián)開關P麗控制，當輸出端電壓過高時，將 變壓器副邊(通過整流器)增加旁路比例，使交流電流不在變壓器上壓降平均值有所下降， 從而控制輸入功率。這種方案輸出電壓脈動會較低。遺憾的是，多個這樣的副邊電源是串 聯(lián)工作的，同步工作時，僅僅有PWM的前沿或后沿部分的電壓被利用，當個數(shù)很多時就會 在原邊(即電流源)產(chǎn)生步調一致的P簡波(寬度根據(jù)負載大小而有所不同)，其總的電壓 降峰值為每個副邊電源在電流源上的PWM電壓幅度之和。這既干擾電流源正常工作，又限
3制副邊電源串聯(lián)個數(shù)(因為實用上的電流源，其總的輸出電壓降是有限制的)。因為不管負 載程度情況如何，最大的串聯(lián)數(shù)限制都是一樣的。這種電源的主電路如附圖3所示。
三是主電路采用與輸入交流電流非同步的并聯(lián)開關P麗控制，通常PWM的頻率要高于 交流電流源數(shù)倍以上(至少5倍)。遺憾的是，這種電路的開關頻率很高，增加了開關損耗。 另外由于副邊電路輸入端的旁路是具有隨機性，多個副邊電源同步開關的局面(即同時在 電流源上呈現(xiàn)電壓降)仍有一定出現(xiàn)概率，仍不能徹底解決負載比較輕情況下的串聯(lián)副邊 電源個數(shù)問題。這種電源的主電路也如附圖3所示。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種高壓隔離開關電源，以及基于該高壓 隔離開關電源的多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)。
本發(fā)明要解決問題的思路是參照專利技術"用于電力電子裝置的多輸出隔離電源" (ZL01145559.4)，對原邊的電流源功率仍呈現(xiàn)均勻吸收，以消除開關波型對原邊電流源的 干涉，而其中的副邊電源則采用高頻開關工作模式，本發(fā)明電源技術改進，主要體現(xiàn)在于 其中的副邊電源上。
本發(fā)明通過以下技術方案以實現(xiàn)上述發(fā)明目的-
提供一種高壓隔離開關電源，包括其原邊通過交流母線接于交流電流源的隔離變壓器， 所述隔離變壓器的副邊順序連接整流器、輸入濾波電容器、開關變流器主電路和輸出濾波 裝置，輸出濾波裝置的輸出端即為高壓隔離開關電源的輸出端，開關調節(jié)器的輸入端和輸 出端分別連該輸出端和高頻開關變流器主電路；所述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器或輸 出濾波電感中的任意一種，其電路額定儲能值均為輸入濾波電容器的3倍以上。
所述開關調節(jié)器是開關電源中常用的控制電路，通常具備比例、積分、微分(PID) — 類調節(jié)功能，并以脈沖寬度調節(jié)(PWM)、脈沖頻率調節(jié)(PFM)方式控制開關變流器主電路 的工作，所謂開關變流器主電路即開關電源的主電路。
作為一種改進，所述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器時，輸出的是直流電壓；所述輸 出濾波裝置是輸出濾波電感時，輸出的是直流電流。
作為一種改進，所述開關變流器主電路是具備逆變功能的開關變流器主電路，貝U:所 述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器時，輸出的是交流電壓；所述輸出濾波裝置是輸出濾波 電感時，輸出的是交流電流。
當所述交流電流源為為高頻交流電流源時，所述整流器和開關變流器主電路分別為高 頻整流器和高頻開關變流器主電路。
作為一種改進，所述輸出濾波電容器或輸出濾波電感的電路額定儲能值是輸入濾波電 容器的10 100倍。作為一種改進，所述隔離變壓器為原邊單匝的變壓器。
作為一種改進，所述開關變流器主電路為常規(guī)的升壓型變流電路(Boost)。 本發(fā)明更進一步的目的是提供一種基于前述的任意一種高壓隔離開關電源的多個輸出 隔離的開關電源系統(tǒng)，包括交流電流源及構成回路的交流母線，該系統(tǒng)包括若干組共用該 交流母線的高壓隔離開關電源，每個高壓隔離開關電源的隔離變壓器的原邊通過交流母線 串聯(lián)相接。
本發(fā)明的有益效果在于
本發(fā)明中多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)具有效率高的優(yōu)點，在一個電流源上允許串聯(lián) 的高壓隔離開關電源個數(shù)比線性電源和背景技術提及的同步P麗控制的開關電源更多。
本發(fā)明中高壓隔離開關電源，其隔離變壓器后的整流器接輸入濾波電容器，整流電壓 為平穩(wěn)直流，使得反映到電源輸入端的電流源的電壓降為一個幅度穩(wěn)定的方波，輸入功率 為輸入電流的平均值乘以方波的幅度。當負載減輕時，整流電壓下降，輸入功率同時下降， 電流源的電壓降幅度也下降。當負載穩(wěn)定時，系統(tǒng)的最高負載能力為每個高壓隔離開關電 源在電流源上的電壓降落之和，達到電流源的允許最高輸出電壓。
本發(fā)明與線性電路相比， 一方面效率大幅度提高，另一方面允許更多的高壓隔離電源 原邊串聯(lián)在一個電流源上。例如在每個高壓隔離線性電源在電流源上的電壓降是6V，電流 源所允許的輸出電壓是150V，于是一個電流源允許串聯(lián)工作的高壓隔離線性電源個數(shù)是25 個；在本發(fā)明中，假如平均負載率是25%，即每個高壓隔離開關電源在電流源上的電壓降是 1.5V， 一個電流源允許串聯(lián)工作的高壓隔離開關電源個數(shù)是100個。在同步P觀控制方案 中，每個高壓隔離開關電源的脈沖幅度在電流源上同步疊加，而脈沖幅度無論負載變化都 是一樣的，因此其允許的串聯(lián)個數(shù)也會同樣減少，情況同線性電源一樣。
另外由于在本發(fā)明中，反映到電流源的電壓是穩(wěn)定的方波(幅度僅僅跟隨負載變化)， 不象同步pra方案中多個高壓隔離開關電源的合成幅度、寬度隨時變化，對電流源的干擾 也較大。
本發(fā)明采用的電路及控制方式，具有結構緊湊、線路簡單、工作效率高、多個輔助電 源相互干擾低的特點，特別適合于需要高壓、超高壓絕緣隔離的分布式輔助供電，在高壓 電力電子設備中應用。例如用于功率半導體器件的高壓隔離驅動、裝置中的信號檢測等方 面。
本發(fā)明還能從電力系統(tǒng)的傳輸線上直接獲取電能(輸電線單匝穿過本發(fā)明的隔離變壓 器)，為智能電網(wǎng)系統(tǒng)中電力電子設備和電力系統(tǒng)自動化設備，提供具有高壓、超高壓絕緣 隔離性能的輔助電源。


圖1是現(xiàn)有技術中電流源輸入的線性電源原理圖。
圖2是現(xiàn)有技術中電流源輸入，輸出電壓受回差控制的開關電源原理圖。
圖3是現(xiàn)有技術中P麗控制的開關電源主電路。
圖4是本發(fā)明中使用輸出濾波電容器的實現(xiàn)原理框圖。
圖5是本發(fā)明中使用輸出濾波電感的實現(xiàn)原理框圖。
圖6是本發(fā)明中多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)。
圖7是本發(fā)明中交流電流源輸入、P麗高壓隔離開關電壓源案例示意圖。 圖8是本發(fā)明中多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)的案例示意圖。
具體實施例方式
參照附圖詳細說明技術方案的實施例
本發(fā)明中的多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)包括若干組共用一根交流母線的高壓隔離開 關電源，每個高壓隔離開關電源的隔離變壓器的原邊通過交流母線串聯(lián)相接至交流電流源。
高壓隔離開關電源包括其原邊通過交流母線接于交流電流源的隔離變壓器，所述隔離 變壓器的副邊順序連接整流器、輸入濾波電容器、開關變流器主電路和輸出濾波裝置，輸 出濾波裝置的輸出端即為高壓隔離開關電源的輸出端，開關調節(jié)器的輸入端和輸出端分別 連該輸出端和高頻開關變流器主電路；所述開關變流器主電路采用常規(guī)電路，但具備與常 規(guī)電壓源控制相反的調節(jié)方向；所述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器或輸出濾波電感中的 任意一種，其電路額定儲能值均為輸入濾波電容器的3倍以上。
作為一種改進，所述開關變流器主電路為常規(guī)的升壓型變流電路。
本發(fā)明提出電流源輸入的開關電源，分輸出電壓型與輸出電流型兩種，當輸出為電壓 型時，采用輸出濾波電容器；當輸出為電流型時，采用輸出濾波電感。 一般情況下輸出的 是直流，當然若高頻開關變流器具備逆變功能，則也可以輸出交流電壓(或電流)。
本發(fā)明的關鍵點在于
以交流電源輸入，經(jīng)過整流后，通過輸入濾波電容器使之改變輸入端的阻抗性質，再
通過高頻開關變流器變換為可控的電壓源或電流源。
整流器可以采用常規(guī)電路，當交流電流源為高頻時，整流器需要用高頻整流器件。 開關變流器主電路可以采用常規(guī)電路，但調節(jié)方向相反。 一方面采用了輸入濾波電容
器，改變了輸入阻抗特性，因此仍然可以采用常規(guī)電壓輸入型開關變流器主電路。另一方
面，電容的阻抗改變作用對于暫態(tài)或高頻比較有效，對于輸入電流的低頻或直流成分是影
響不大或沒有效果。
關于調節(jié)方向相反的說法，這里專門進行解釋。從穩(wěn)態(tài)的調節(jié)方向來看，當輸出電壓 (或電流)升高時，需要的是降低輸入能量流。常規(guī)的做法是減少變換電路從電壓源端(即
6輸入濾波電容器端)獲取電流。但是對于供電的電流源來說，減少從輸入端(即輸入濾波 電容器端)獲取電流，會使端電壓進一步升高，導致從電流源截取的能量更多。因此必須 采取與常規(guī)電壓源控制相反方向的調節(jié)措施。雖然暫時地增加從輸入濾波電容器會使輸出 電壓(或電流)進一步增加，但隨后由于從電流截取的能量減少，最終會穩(wěn)定在較低水平。
由于上述調節(jié)過程有一個相反方向的開始反應過程，因此輸出濾波電容器(或輸出電 感)的電路額定儲能值應當遠大于輸入濾波電容器上的，否則調節(jié)過程輸出波動過大。根 據(jù)經(jīng)驗，這一比值至少需要3倍。這樣，當輸入的反應速度就遠快于輸出，使輸出的上述 相反方向的波動水平很小。所謂電路額定儲能值，對于電容器來說，就是電路額定電壓的 平方乘以電容量；對于電感來說，就是電路額定電流的平方乘以電感量。
本發(fā)明的開關電源主電路的開關脈沖控制方式也多樣的，例如可以是PWM，也可以是 PFM (脈頻控制)的等，區(qū)別的是上述的調節(jié)方向相反。
多個上述本發(fā)明的開關電源輸入端共用一條高頻交流電流母線，配上交流電流發(fā)生器， 構成本發(fā)明的多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)，具體參見附圖6。本發(fā)明的這一系統(tǒng)同專利"用 于電力電子裝置的多輸出隔離電源"(ZL01145559.4)的出發(fā)點是一致的，所不同的是本發(fā) 明的副邊電源采用上述本發(fā)明的開關電源；相關的交流電流源發(fā)生器，其輸出電流可以是 交流方波，為減少EMI干擾，也可以采用交流正弦波，或近似于方波與正弦波的交流電流 波；提高交流電流源的工作頻率則有利于上述輸出濾波電容器(或輸出電感)縮小體積。
本發(fā)明中，輸出濾波電容器的電路額定儲能值是輸入濾波電容器或輸出濾波電感的 10 100倍。這是根據(jù)經(jīng)驗得到的，這一比值越高，調節(jié)過程輸出波動越小。過低的比值， 調節(jié)過程輸出波動過大，將使本發(fā)明電路失去使用效果。這一點也是區(qū)別于普通電壓源輸 入型的，在常規(guī)電路中，對于兩個電容值的比例是沒有嚴格限制的，沒有要求輸出的必須 比輸入的大。
本發(fā)明的隔離變壓器為原邊單匝的變壓器。采用單匝變壓器的好處不僅僅是結構十分 簡單，還是能夠適應電力系統(tǒng)輸電線路的連接要求，還能夠適應超高壓隔離要求。單匝導 線穿越環(huán)型磁性元件還是方便的，單匝導線可以本身就是帶絕緣套的高壓電纜芯，而要求 粗大的電纜芯在變壓器上繞制多圈是極為不便的。隔離變壓器的副邊則根據(jù)輸出要求，可 以是常規(guī)多匝線圈。
本發(fā)明的開關電源的輸入為高頻交流電流。輸入電流源的頻率越高，開關電源的尺寸 就可以做得越小。
本發(fā)明的開關變流器主電路為常規(guī)升壓型變流電路，具體參見附圖7。 附圖7是本發(fā)明的交流電流源輸入的PWM高壓隔離開關電壓源案例，輸入端隔離變壓 器串聯(lián)交流電流源，后接整流器，整流器輸出并聯(lián)上輸入濾波電容器，然后接高頻開關變 流器主電路(相當于常規(guī)的電壓型Boost變換電路)，該主電路輸出端并聯(lián)上輸出濾波電容器(當輸出電壓為輸入電壓的50%，取輸出濾波電容器的電容值是輸入濾波電容器的50倍)， 輸出直流電壓。主電路開關受開關調節(jié)器的PID調節(jié)，以PWM方式控制，開關工作頻率為 50kHz。當輸出電壓(或電流)偏大時，調節(jié)器能增加高頻開關變流器主電路的輸入電流， 從而降低輸入濾波電容器上的電壓、減少從電流源獲得的能量，使輸出降低，當輸出電壓 偏小時則反方向調節(jié)。
附圖8是本發(fā)明中多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)的案例，其中隔離變壓器原邊采用了 單匝，絕緣電纜從一系列高壓隔離電源的變壓器磁芯中穿過。
應該理解到的是上述實施方式只是對本發(fā)明的說明，而不是對本發(fā)明的限制，任何 不超出本發(fā)明精祌范圍內的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種高壓隔離開關電源，包括其原邊通過交流母線接于交流電流源的隔離變壓器，其特征在于，所述隔離變壓器的副邊順序連接整流器、輸入濾波電容器、開關變流器主電路和輸出濾波裝置，輸出濾波裝置的輸出端即為高壓隔離開關電源的輸出端，開關調節(jié)器的輸入端和輸出端分別連該輸出端和高頻開關變流器主電路；所述開關變流器主電路采用常規(guī)電路，但具備與常規(guī)電壓源控制相反的調節(jié)方向；所述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器或輸出濾波電感中的任意一種，其電路額定儲能值均為輸入濾波電容器的3倍以上。
2、 根據(jù)權利要求1所述的高壓隔離開關電源，其特征在于，所述輸出濾波裝置是輸出 濾波電容器時，輸出的是直流電壓；所述輸出濾波裝置是輸出濾波電感時，輸出的是直流 電流。 '
3、 根據(jù)權利要求l所述的高壓隔離開關電源，其特征在于，所述開關變流器主電路是 具備逆變功能的開關變流器主電路，貝U:所述輸出濾波裝置是輸出濾波電容器時，輸出的 是交流電壓；所述輸出濾波裝置是輸出濾波電感時，輸出的是交流電流。
4、 根據(jù)權利要求1所述的高壓隔離開關電源，其特征在于，所述輸出濾波電容器或輸 出濾波電感的電路額定儲能值是輸入濾波電容器的10 100倍。
5、 根據(jù)權利要求1所述的高壓隔離開關電源，其特征在于，所述隔離變壓器為原邊單 匝的變壓器。
6、 根據(jù)權利要求l所述的高壓隔離開關電源，其特征在于，所述開關變流器主電路為 常規(guī)的升壓型變流電路。
7、 一種基于權利要求1至6所述的任意一種高壓隔離開關電源的多個輸出隔離的開關 電源系統(tǒng)，包括交流電流源及構成回路的交流母線，其特征在于，該系統(tǒng)包括若干組共用 該交流母線的高壓隔離開關電源，每個高壓隔離開關電源的隔離變壓器的原邊通過交流母 線串聯(lián)相接。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力電子領域，旨在提供一種高壓隔離開關電源及多個輸出隔離的開關電源系統(tǒng)。該開關電源以交流電流源輸入，經(jīng)變壓器隔離、整流后并聯(lián)輸入濾波電容器使之改變阻抗性質，通過常規(guī)的高頻開關變流器輸出，其調節(jié)方向與常規(guī)方向相反。輸出分電壓型與電流型兩種，輸出濾波電容或電感的儲能值高于輸入濾波電容器。本發(fā)明采用的電路及控制方式，具有結構緊湊、線路簡單、工作效率高、多個輔助電源相互干擾低的特點，特別適合于需要高壓、超高壓絕緣隔離的分布式輔助供電，在高壓電力電子設備中應用。本發(fā)明還能從電力系統(tǒng)的傳輸線上直接獲取電能，為智能電網(wǎng)系統(tǒng)中電力電子設備輔助供電。
文檔編號H02M5/10GK101662214SQ20091015293
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權日2009年9月22日
發(fā)明者呂征宇 申請人:浙江大學