专利名称：高压隔离开关电源及多个输出隔离的开关电源系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子领域，为一种高压隔离开关电源及多个输出隔离的开关电源系统。
背景技术：
高压隔离电源，应用于高电压的电力电子领域，在检测仪器、仪表、电力电子变流器 中功率半导体器件的驱动等方面，都需要用到原、副边隔离电压达到成千上万伏特的辅助
电源。往往在一台装置或仪器中就需要用到多个这样的隔离电源。传统的隔离电源一般难 以达到这样的隔离要求，在超高压领域(例如100kV)更是制作困难。由于高压隔离要求的
缘故，用常规方案制作出的这样一台电源，往往其体积大、成本高、效率低下。
专利技术"用于电力电子装置的多输出隔离电源"(ZL01145559.4)提供了一种电流源 作为输入的分布式高压隔离电源方案，技术上回答了上面提出的超高压隔离与低成本实现 的问题。由于该专利技术中的二次开侧电路采用线性电源旁路方案，当负载空载时将消耗 全部额定功率，而这消耗的功率有产生相应热量。因此，该方案的电源工作效率比较低， 特别是在负载率不高的情况下。同时，该电源的体积不能太小，需要较大的散热面积。这 种电源的电路如附图l所示。
采用开关电源能够减少消耗，在空载时将整流端用开关旁路，使副边电源不在电流源 上呈现电压降。对此已经有研究报道的几种电流型输入的开关式电源为
一是主电路采用并联开关输出电压受回差控制，当输出端电压过高时，将变压器副边 (通过整流器)旁路，使交流电流不在变压器上产生压降，从而暂时截断输入功率；当输 出降低到稍低的电压，旁路开关开路，电源继续接收输入功率。这种方案输出电压脉动较 高。参见"多路输出隔离驱动电路及其在短路限流器中的应用，电源技术应用.2003. 12"。 这种电源的电路如附图2所示。
二是主电路采用与输入交流电流同步的并联开关P丽控制，当输出端电压过高时，将 变压器副边(通过整流器)增加旁路比例，使交流电流不在变压器上压降平均值有所下降， 从而控制输入功率。这种方案输出电压脉动会较低。遗憾的是，多个这样的副边电源是串 联工作的，同步工作时，仅仅有PWM的前沿或后沿部分的电压被利用，当个数很多时就会 在原边(即电流源)产生步调一致的P簡波(宽度根据负载大小而有所不同)，其总的电压 降峰值为每个副边电源在电流源上的PWM电压幅度之和。这既干扰电流源正常工作，又限
3制副边电源串联个数(因为实用上的电流源，其总的输出电压降是有限制的)。因为不管负 载程度情况如何，最大的串联数限制都是一样的。这种电源的主电路如附图3所示。
三是主电路采用与输入交流电流非同步的并联开关P丽控制，通常PWM的频率要高于 交流电流源数倍以上(至少5倍)。遗憾的是，这种电路的开关频率很高，增加了开关损耗。 另外由于副边电路输入端的旁路是具有随机性，多个副边电源同步开关的局面(即同时在 电流源上呈现电压降)仍有一定出现概率，仍不能彻底解决负载比较轻情况下的串联副边 电源个数问题。这种电源的主电路也如附图3所示。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高压隔离开关电源，以及基于该高压 隔离开关电源的多个输出隔离的开关电源系统。
本发明要解决问题的思路是参照专利技术"用于电力电子装置的多输出隔离电源" (ZL01145559.4)，对原边的电流源功率仍呈现均匀吸收，以消除开关波型对原边电流源的 干涉，而其中的副边电源则采用高频开关工作模式，本发明电源技术改进，主要体现在于 其中的副边电源上。
本发明通过以下技术方案以实现上述发明目的-
提供一种高压隔离开关电源，包括其原边通过交流母线接于交流电流源的隔离变压器， 所述隔离变压器的副边顺序连接整流器、输入滤波电容器、开关变流器主电路和输出滤波 装置，输出滤波装置的输出端即为高压隔离开关电源的输出端，开关调节器的输入端和输 出端分别连该输出端和高频开关变流器主电路；所述输出滤波装置是输出滤波电容器或输 出滤波电感中的任意一种，其电路额定储能值均为输入滤波电容器的3倍以上。
所述开关调节器是开关电源中常用的控制电路，通常具备比例、积分、微分(PID) — 类调节功能，并以脉冲宽度调节(PWM)、脉冲频率调节(PFM)方式控制开关变流器主电路 的工作，所谓开关变流器主电路即开关电源的主电路。
作为一种改进，所述输出滤波装置是输出滤波电容器时，输出的是直流电压；所述输 出滤波装置是输出滤波电感时，输出的是直流电流。
作为一种改进，所述开关变流器主电路是具备逆变功能的开关变流器主电路，贝U:所 述输出滤波装置是输出滤波电容器时，输出的是交流电压；所述输出滤波装置是输出滤波 电感时，输出的是交流电流。
当所述交流电流源为为高频交流电流源时，所述整流器和开关变流器主电路分别为高 频整流器和高频开关变流器主电路。
作为一种改进，所述输出滤波电容器或输出滤波电感的电路额定储能值是输入滤波电 容器的10 100倍。作为一种改进，所述隔离变压器为原边单匝的变压器。
作为一种改进，所述开关变流器主电路为常规的升压型变流电路(Boost)。 本发明更进一步的目的是提供一种基于前述的任意一种高压隔离开关电源的多个输出 隔离的开关电源系统，包括交流电流源及构成回路的交流母线，该系统包括若干组共用该 交流母线的高压隔离开关电源，每个高压隔离开关电源的隔离变压器的原边通过交流母线 串联相接。
本发明的有益效果在于
本发明中多个输出隔离的开关电源系统具有效率高的优点，在一个电流源上允许串联 的高压隔离开关电源个数比线性电源和背景技术提及的同步P丽控制的开关电源更多。
本发明中高压隔离开关电源，其隔离变压器后的整流器接输入滤波电容器，整流电压 为平稳直流，使得反映到电源输入端的电流源的电压降为一个幅度稳定的方波，输入功率 为输入电流的平均值乘以方波的幅度。当负载减轻时，整流电压下降，输入功率同时下降， 电流源的电压降幅度也下降。当负载稳定时，系统的最高负载能力为每个高压隔离开关电 源在电流源上的电压降落之和，达到电流源的允许最高输出电压。
本发明与线性电路相比， 一方面效率大幅度提高，另一方面允许更多的高压隔离电源 原边串联在一个电流源上。例如在每个高压隔离线性电源在电流源上的电压降是6V，电流 源所允许的输出电压是150V，于是一个电流源允许串联工作的高压隔离线性电源个数是25 个；在本发明中，假如平均负载率是25%，即每个高压隔离开关电源在电流源上的电压降是 1.5V， 一个电流源允许串联工作的高压隔离开关电源个数是100个。在同步P觀控制方案 中，每个高压隔离开关电源的脉冲幅度在电流源上同步叠加，而脉冲幅度无论负载变化都 是一样的，因此其允许的串联个数也会同样减少，情况同线性电源一样。
另外由于在本发明中，反映到电流源的电压是稳定的方波(幅度仅仅跟随负载变化)， 不象同步pra方案中多个高压隔离开关电源的合成幅度、宽度随时变化，对电流源的干扰 也较大。
本发明采用的电路及控制方式，具有结构紧凑、线路简单、工作效率高、多个辅助电 源相互干扰低的特点，特别适合于需要高压、超高压绝缘隔离的分布式辅助供电，在高压 电力电子设备中应用。例如用于功率半导体器件的高压隔离驱动、装置中的信号检测等方 面。
本发明还能从电力系统的传输线上直接获取电能(输电线单匝穿过本发明的隔离变压 器)，为智能电网系统中电力电子设备和电力系统自动化设备，提供具有高压、超高压绝缘 隔离性能的辅助电源。
图1是现有技术中电流源输入的线性电源原理图。
图2是现有技术中电流源输入，输出电压受回差控制的开关电源原理图。
图3是现有技术中P丽控制的开关电源主电路。
图4是本发明中使用输出滤波电容器的实现原理框图。
图5是本发明中使用输出滤波电感的实现原理框图。
图6是本发明中多个输出隔离的开关电源系统。
图7是本发明中交流电流源输入、P丽高压隔离开关电压源案例示意图。 图8是本发明中多个输出隔离的开关电源系统的案例示意图。
具体实施例方式
参照附图详细说明技术方案的实施例
本发明中的多个输出隔离的开关电源系统包括若干组共用一根交流母线的高压隔离开 关电源，每个高压隔离开关电源的隔离变压器的原边通过交流母线串联相接至交流电流源。
高压隔离开关电源包括其原边通过交流母线接于交流电流源的隔离变压器，所述隔离 变压器的副边顺序连接整流器、输入滤波电容器、开关变流器主电路和输出滤波装置，输 出滤波装置的输出端即为高压隔离开关电源的输出端，开关调节器的输入端和输出端分别 连该输出端和高频开关变流器主电路；所述开关变流器主电路采用常规电路，但具备与常 规电压源控制相反的调节方向；所述输出滤波装置是输出滤波电容器或输出滤波电感中的 任意一种，其电路额定储能值均为输入滤波电容器的3倍以上。
作为一种改进，所述开关变流器主电路为常规的升压型变流电路。
本发明提出电流源输入的开关电源，分输出电压型与输出电流型两种，当输出为电压 型时，采用输出滤波电容器；当输出为电流型时，采用输出滤波电感。 一般情况下输出的 是直流，当然若高频开关变流器具备逆变功能，则也可以输出交流电压(或电流)。
本发明的关键点在于
以交流电源输入，经过整流后，通过输入滤波电容器使之改变输入端的阻抗性质，再
通过高频开关变流器变换为可控的电压源或电流源。
整流器可以采用常规电路，当交流电流源为高频时，整流器需要用高频整流器件。 开关变流器主电路可以采用常规电路，但调节方向相反。 一方面采用了输入滤波电容
器，改变了输入阻抗特性，因此仍然可以采用常规电压输入型开关变流器主电路。另一方
面，电容的阻抗改变作用对于暂态或高频比较有效，对于输入电流的低频或直流成分是影
响不大或没有效果。
关于调节方向相反的说法，这里专门进行解释。从稳态的调节方向来看，当输出电压 (或电流)升高时，需要的是降低输入能量流。常规的做法是减少变换电路从电压源端(即
6输入滤波电容器端)获取电流。但是对于供电的电流源来说，减少从输入端(即输入滤波 电容器端)获取电流，会使端电压进一步升高，导致从电流源截取的能量更多。因此必须 采取与常规电压源控制相反方向的调节措施。虽然暂时地增加从输入滤波电容器会使输出 电压(或电流)进一步增加，但随后由于从电流截取的能量减少，最终会稳定在较低水平。
由于上述调节过程有一个相反方向的开始反应过程，因此输出滤波电容器(或输出电 感)的电路额定储能值应当远大于输入滤波电容器上的，否则调节过程输出波动过大。根 据经验，这一比值至少需要3倍。这样，当输入的反应速度就远快于输出，使输出的上述 相反方向的波动水平很小。所谓电路额定储能值，对于电容器来说，就是电路额定电压的 平方乘以电容量；对于电感来说，就是电路额定电流的平方乘以电感量。
本发明的开关电源主电路的开关脉冲控制方式也多样的，例如可以是PWM，也可以是 PFM (脉频控制)的等，区别的是上述的调节方向相反。
多个上述本发明的开关电源输入端共用一条高频交流电流母线，配上交流电流发生器， 构成本发明的多个输出隔离的开关电源系统，具体参见附图6。本发明的这一系统同专利"用 于电力电子装置的多输出隔离电源"(ZL01145559.4)的出发点是一致的，所不同的是本发 明的副边电源采用上述本发明的开关电源；相关的交流电流源发生器，其输出电流可以是 交流方波，为减少EMI干扰，也可以采用交流正弦波，或近似于方波与正弦波的交流电流 波；提高交流电流源的工作频率则有利于上述输出滤波电容器(或输出电感)縮小体积。
本发明中，输出滤波电容器的电路额定储能值是输入滤波电容器或输出滤波电感的 10 100倍。这是根据经验得到的，这一比值越高，调节过程输出波动越小。过低的比值， 调节过程输出波动过大，将使本发明电路失去使用效果。这一点也是区别于普通电压源输 入型的，在常规电路中，对于两个电容值的比例是没有严格限制的，没有要求输出的必须 比输入的大。
本发明的隔离变压器为原边单匝的变压器。采用单匝变压器的好处不仅仅是结构十分 简单，还是能够适应电力系统输电线路的连接要求，还能够适应超高压隔离要求。单匝导 线穿越环型磁性元件还是方便的，单匝导线可以本身就是带绝缘套的高压电缆芯，而要求 粗大的电缆芯在变压器上绕制多圈是极为不便的。隔离变压器的副边则根据输出要求，可 以是常规多匝线圈。
本发明的开关电源的输入为高频交流电流。输入电流源的频率越高，开关电源的尺寸 就可以做得越小。
本发明的开关变流器主电路为常规升压型变流电路，具体参见附图7。 附图7是本发明的交流电流源输入的PWM高压隔离开关电压源案例，输入端隔离变压 器串联交流电流源，后接整流器，整流器输出并联上输入滤波电容器，然后接高频开关变 流器主电路(相当于常规的电压型Boost变换电路)，该主电路输出端并联上输出滤波电容器(当输出电压为输入电压的50%，取输出滤波电容器的电容值是输入滤波电容器的50倍)， 输出直流电压。主电路开关受开关调节器的PID调节，以PWM方式控制，开关工作频率为 50kHz。当输出电压(或电流)偏大时，调节器能增加高频开关变流器主电路的输入电流， 从而降低输入滤波电容器上的电压、减少从电流源获得的能量，使输出降低，当输出电压 偏小时则反方向调节。
附图8是本发明中多个输出隔离的开关电源系统的案例，其中隔离变压器原边采用了 单匝，绝缘电缆从一系列高压隔离电源的变压器磁芯中穿过。
应该理解到的是上述实施方式只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何 不超出本发明精祌范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种高压隔离开关电源，包括其原边通过交流母线接于交流电流源的隔离变压器，其特征在于，所述隔离变压器的副边顺序连接整流器、输入滤波电容器、开关变流器主电路和输出滤波装置，输出滤波装置的输出端即为高压隔离开关电源的输出端，开关调节器的输入端和输出端分别连该输出端和高频开关变流器主电路；所述开关变流器主电路采用常规电路，但具备与常规电压源控制相反的调节方向；所述输出滤波装置是输出滤波电容器或输出滤波电感中的任意一种，其电路额定储能值均为输入滤波电容器的3倍以上。
2、 根据权利要求1所述的高压隔离开关电源，其特征在于，所述输出滤波装置是输出 滤波电容器时，输出的是直流电压；所述输出滤波装置是输出滤波电感时，输出的是直流 电流。 '
3、 根据权利要求l所述的高压隔离开关电源，其特征在于，所述开关变流器主电路是 具备逆变功能的开关变流器主电路，贝U:所述输出滤波装置是输出滤波电容器时，输出的 是交流电压；所述输出滤波装置是输出滤波电感时，输出的是交流电流。
4、 根据权利要求1所述的高压隔离开关电源，其特征在于，所述输出滤波电容器或输 出滤波电感的电路额定储能值是输入滤波电容器的10 100倍。
5、 根据权利要求1所述的高压隔离开关电源，其特征在于，所述隔离变压器为原边单 匝的变压器。
6、 根据权利要求l所述的高压隔离开关电源，其特征在于，所述开关变流器主电路为 常规的升压型变流电路。
7、 一种基于权利要求1至6所述的任意一种高压隔离开关电源的多个输出隔离的开关 电源系统，包括交流电流源及构成回路的交流母线，其特征在于，该系统包括若干组共用 该交流母线的高压隔离开关电源，每个高压隔离开关电源的隔离变压器的原边通过交流母 线串联相接。
全文摘要
本发明属于电力电子领域，旨在提供一种高压隔离开关电源及多个输出隔离的开关电源系统。该开关电源以交流电流源输入，经变压器隔离、整流后并联输入滤波电容器使之改变阻抗性质，通过常规的高频开关变流器输出，其调节方向与常规方向相反。输出分电压型与电流型两种，输出滤波电容或电感的储能值高于输入滤波电容器。本发明采用的电路及控制方式，具有结构紧凑、线路简单、工作效率高、多个辅助电源相互干扰低的特点，特别适合于需要高压、超高压绝缘隔离的分布式辅助供电，在高压电力电子设备中应用。本发明还能从电力系统的传输线上直接获取电能，为智能电网系统中电力电子设备辅助供电。
文档编号H02M5/10GK101662214SQ20091015293
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者吕征宇 申请人:浙江大学