专利名称：高压输入-低压输出的变换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的降压变换电路，具体是一种高压输入-低压输出的变换电路。
背景技术：
应用于电子设备和控制电路的24V低压直流电源是地铁机车低压配电系统的重要组成部分。随着我国地铁、动车、高铁技术的迅猛发展，对于低压直流电源的需求越来越旺盛，要求也越来越高。体积小、重量轻、稳定性好、安全系数高、超高压输入的低压电源符合高速列车的发展要求，具有良好的应用前景。1500V输入-24V输出的地铁机车电源具体包括两个电压变换环节，一个是高压直流电输入-低压交流电输出环节，另一个是低压交流电输入-低压直流电输出环节。为了完成高压直流电输入-低压交流电输出环节，可以采用斩波电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路。斩波电路将输入的高压直流电压斩波变换为高压脉冲电压，该电压送入后级LC滤波器得到低压直流电压，电路结构简单，控制容易，但是单个功率器件承受的电压等级较大，电源利用率较低，输入域输出压差过大时不宜采用；半桥逆变电路结构经典，控制方法成熟，功能齐全，性能较高，但是单级全桥逆变电路也不适合过高输入电压，无法应用于过高的高压输入-低压输出的大功率应用场合。全桥逆变电路结构经典，控制方法成熟，功能齐全，性能较高，但是其成本较高，单级全桥逆变电路也不适合过高输入电压， 无法直接应用于高压输入-低压输出的大功率应用场合。经过对现有适合高压直流电压输入-低压直流电压输出应用场合的降压变换器技术的检索发现，“高压输入低压大电流输出模块电源的设计”(电力电子技术，2009年第5 期43卷)和“高压输入低压多路输出的两级式变换器”(电工技术学报，2010年第1期第 25卷)中描述的单相-单相交-直变换器的结构复杂，设计难度大，输入电压低，功能和性能较差，很难应用于地铁机车等高压场合；中国专利号022对999.0，专利名称从高压线上获取能量的低压电源，描述的降压变换器采用了电流互感器和蓄电池，成本较高，且其拓扑和工作原理都极其复杂，应用难度非常高。为了完成低压交流电压输入-低压直流电压输出，采用全波整流电路，电源利用率高，每个功率器件仅承担输出电流的一半，只有一个管压降，输出直流电流波幅小，供电
质量综上所述，现有的高压输入-低压输出电源的输入电压等级较低，结构和控制比较复杂，而输入电压较高的电源成本高，拓扑比较复杂，输出电压稳定性较差，均不适用于地铁机车等高速和过高电压的场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、控制简便、 成本低廉、输入电压等级高、供电质量高的降压变换器已成为本领域技术人员的当务之急。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种高压输入-低压输出的变换电路，使其实现DC/DC变换，具有结构简单、控制简便、成本低廉、输入电压等级高、供电质量高等优
点ο本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括依次级联的分压电路、开关电路、 整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路与整流电路和滤波电路的输入端相连。所述分压电路与开关电路的两端分别与电源的正极和负极相连，开关电路的输出端与整流电路的输入端相连，整流电路的前级为三个降压变压器串联，两端与开关电路的输出端相连，后级为三个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流电路的两个输出端。所述的分压电路为电容分压电路四个电解电容依次串联，串联后的两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第一电容和第二电容为一组，第三电容和第四电容为一组， 将输入电压均分，第二电容和第三电容的连接点为第一节点01 ；每个电容均并联一个均压电阻，第一、第二、第三、第四电阻分别为第一、第二、第三、第四电容均压；第五电阻和第六电阻串联，两端分别与输入电源正极和第一节点01相连，为第一电容和第二电容均压；第七电阻和第八电阻串联，两端分别与第一节点01和输入电源负极相连，为第三电容和第四电容均压。所述的开关电路的结构为四个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连，其中第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第一节点01，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第二节点02，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第三节点03，所述的逆导开关的基极接受相应的PWM脉冲控制信号。所述的整流电路包括三个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路包括降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中三个原边绕组和第五电容依次串联，两端分别与第二节点02和第三节点 03相连，两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连。由于三个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第四节点04相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第四节点04相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与第五节点05相连，第九电阻的一端与第一降压变压器的下副边绕组的正极相连，另外一端接地，第三二极管和第六电容串联，第三二极管的正极与第一降压变压器的下副边绕组的负极相连，第六电容的负极接地。第一、第二、第四、第五、第七、第八二极管的负极与第四节点04相连，第一、第二、第三电感的右端与第五节点05相连。所述的滤波电路为电容滤波电路，第九电容和第十电容串联，两端分别与第四节点04和第五节点05连接，其中第九电容两端并联第十一电阻，第十电容两端并联第十二电阻，第十一电阻和第十二电阻分别为第九电容和第十电容均压。所述的滤波电路的输出端输出直流电压。采用上述技术方案，本发明结合分压电路和开关电路将高电压转换为低电压，变压器初级串联降低单个变压器压降的原理，制定了高压输入-低压输出的降压变换器，分压电路和开关电路结构简单，控制方便，可将输入高电压降压处理，开关应力小，变压器设计简化，全波整流器电源利用率高，输出电压稳定性好，安全系数高，能够适应地铁动车高铁等高速度高电压的应用场合。本发明具有设计结构新颖、通用性强、成本低等优点，可以作为1500V输入-24V输出的地铁机车电源。
图1为本发明的电路原理图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例提供一种高压输入-低压输出的变换电路，可以用于1500V 输入-24V输出的地铁机车电源，包括依次级联的分压电路1、开关电路2、整流电路3和滤波电路4，分压电路1的输出端通过开关电路2和整流电路3与滤波电路4的输入端相连。所述的分压电路1为电容分压电路四个电容Cl C4依次串联，两端分别与输入电源正级Pl和负极m相连，其中第一电容Cl和第二电容C2为一组，第三电容C3和第四电容C4为一组，将输入电压均分，第二电容C2和第三电容C3的连接点为01 ；每个电容均并联一个均压电阻，第一、第二、第三、第四电阻Rl R4分别为第一、第二、第三、第四电容 Cl C4均压；第五电阻R5和第六电阻R6串联，两端分别与输入电源正极Pl和节点01相连，为第一电容Cl和第二电容C2均压；第七电阻R7和第八电阻R8串联，两端分别与节点 01和输入电源负极m相连，为第三电容C3和第四电容C4均压。所述的电容Cl C4为铝电解电容2200yF/450V。所述的电阻Rl R8 为 120k Ω，1 %，2W。所述的开关电路2的结构为四个逆导开关Sl S4串联，两端分别与输入电源正极Pl和负极m相连，其中第二逆导开关S2和第三逆导开关S3的连接点为01，第一逆导开关Sl和第二逆导开关S2的连接点为02，第三逆导开关S3和第四逆导开关S4的连接点为 03，所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号。所述的逆导开关Sl S4为功率MOSFET 500V/50A/100°C，逆导开关Sl S4的驱动脉冲根据开关电路所需输出波形进行调节，开关频率为IOkHz ；所述的整流电路3包括三个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路包括降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中三个原边绕组和第四电容C5依次串联，两端分别与第二节点02和第三节点03相连，两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连。由于三个子整流电路的电路结构完全相同，此处只描述第一子整流电路的具体连接方法第一二极管Dl的正极与第一降压变压器Tl的上副边绕组的正极相连，负极与节点04相连，第二二极管D2的正极与第一降压变压器Tl的上副边绕组的负极相连，负极与节点04相连， 第一电感Ll的一端与第一降压变压器Tl的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与第五节点05相连，第九电阻R9的一端与第一降压变压器Tl的下副边绕组的正极相连，两外一端接地，第三二极管D3和第六电容C6串联，第三二极管D3的正极与第一降压变压器Tl的下副边绕组的负极相连，第六电容C6的负极接地。第一、第二、第四、第五、第七、第八二极管D1、D2、D4、D5、D7、D8的负极与第四节点04相连，第一、第二、第三电感L1、L2、L3的右端与第五节点05相连。所述的变压器T1、T2、T3为高压型，降压型，变比为5 1 1，采用多个变压器串联以提升变压器初级的耐压能力。所述的二极管Dl D9为反向快速恢复型50V/75A/100°C，多只并联。所述的电容C5 C8为CBB交流电容2. 0uF/1200V。所述的电感Ll L3为非晶体材料，感值为500uH。所述的电阻为R9 Rll为2. 7k Ω，1 %，10W。所述的滤波电路4为电容滤波电路，第九电容C9和第十电容ClO串联，两端分别与第四节点04和第五05连接，其中第九电容C9两端并联第十一电阻R11，第十电容ClO两端并联第十二电阻R12，第十一电阻Rll和第十二电阻R12分别为第九电容C9和第十电容 ClO均压。所述的滤波电路的输出端输出直流电压。所述的电容C9、ClO为电解电容68001^/^257 ；所述的电阻R11、R12 为 0. 47kQ,l%,2ff0本实施例中，输入交流电压为1500V，输出直流电压为MV，输出功率5kW。本实施例通过以下方式进行工作分压电路1将高压直流输入电压平均分为两部分，滤波电容使得两部分输入电压平稳光滑，均压电阻保证两部分输入电压稳定均衡。只采用三种开关状态(1)状态ι :si与S3同时导通，整流电路3初级绕组得到总输入电压的一半，电容Cl与C2供电；⑵状态2 :S2与S3同时导通，整流电路3得到零电压，整流电路3 初级绕组续流；⑶状态3 :S2与S4同时导通，整流电路3初级绕组得到总输入电压的一半，电容C3与C4供电；交替和等时间地使用状态1和2、状态3和2，可以将输入电压斩波成脉冲，经过整流电路3和滤波电路4作用得到低压直流电压，如+24V，而且在一个开关周期中直流输入电压均压。电容C5起到隔直作用。在状态2使用阶段，起到磁复位作用。开关电路2输出的交流电压经第五电容滤除直流成分后送入串联的降压变压器，并耦合至副边，这样，单个变压器输入端电压减小，大大简化了变压器的设计。整流电路3中三个降压变压器输出低压交流电压分别流入各自的全波整流器，整流电路3中全波整流器对低压交流电进行整流且输出端并联产生低压大电流输出，另外每个降压变压器的副边均连接一个磁复位电路，这样可防止电路运行中变压器原边出现的磁饱和现象。本发明采用电容分压电路和开关电路，将输入高电压降低为原来的一半进行处理，变压器串联结构进一步分压，实现由高压直流电源变换为低压交流电源，再采用全波整流器实现低压交流电压-低压直流输出，且输出端并联，可获得低压大电流输出。该电路结构简单，设计新颖，巧妙地将大电压转化为小电压进行处理，开关应力大大减小，变压器的设计简化，成本下降，全波整流器的采用提高了电源利用率，保证了供电质量，磁复位电路的应用可避免变压器磁饱和，提高了工作稳定性和安全系数，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的降压变换器方案的不足之处包括输入电压等级太低，难以做到大功率化，电路稳定性差，效率较低，结构复杂，控制繁琐，不易实现。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种高压输入-低压输出的变换电路，包括电容分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，其中电容分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连，滤波电路两端分别连接整流器的两个输出端；其特征在于所述的电容分压电路四个电解电容依次串联，两端分别与输入电源正极和负极相连， 其中第一电容和第二电容为一组，第三电容和第四电容为一组，将输入电压均分，第二电容和第三电容的连接点为第一节点(01)；每个电容均并联一个均压电阻，第一、第二、第三、 第四电阻分别为第一、第二、第三、第四电容均压；第五电阻和第六电阻串联，两端分别与输入电源正极和第一节点(01)相连，为第一电容和第二电容均压；第七电阻和第八电阻串联，两端分别与第一节点(01)和输入电源负极相连，为第三电容和第四电容均压；所述的开关电路的结构为四个逆导开关串联，两端分别与输入电源正极和负极相连， 其中第二逆导开关和第三逆导开关的连接点为第一节点(01)，第一逆导开关和第二逆导开关的连接点为第二节点(02)，第三逆导开关和第四逆导开关的连接点为第三节点(03)，所述的逆导开关的门极接受PWM脉冲控制信号；所述的整流电路包括三个输入端串联-输出端并联的子整流电路，每个子整流电路包括降压变压器、全波整流器和磁复位电路，所述的降压变压器具有一个原边绕组和两个副边绕组，其中三个原边绕组和第四电容依次串联，两端分别与第二节点(0 和第三节点 (03)相连，两个副边绕组以上下区分，且分别与全波整流器和磁复位电路相连。
2.根据权利要求1所述的高压输入-低压输出的变换电路，其特征在于所述子整流电路的具体连接第一二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的正极相连，负极与第四节点(04)相连，第二二极管的正极与第一降压变压器的上副边绕组的负极相连，负极与第四节点(04)相连，第一电感的一端与第一降压变压器的副边绕组的中心抽头相连，另外一端与第五节点(0 相连，第九电阻的一端与第一降压变压器的下副边绕组的正极相连，另外一端接地，第三二极管和第六电容串联，第三二极管的正极与第一降压变压器的下副边绕组的负极相连，第六电容的负极接地；第一、第二、第四、第五、第七、第八二极管的负极与第四节点(04)相连，第一、第二、第三电感的右端与第五节点(0 相连。
3.根据权利要求1或2所述的高压输入-低压输出的变换电路，其特征在于所述的滤波电路为电容滤波电路第九电容和第十电容串联，两端分别与第四节点(04)和第五 (05)连接，其中第九电容两端并联第十一电阻，第十电容两端并联第十二电阻，第一电阻和第十二电阻分别为第九电容和第十电容均压。
4.根据权利要求3所述的高压输入-低压输出的变换电路，其特征在于所述的滤波电路的输出端输出直流电压。
全文摘要
本发明公开一种电力电子技术领域的高压输入-低压输出的变换电路，包括电容分压电路、开关电路、整流电路和滤波电路，分压电路的输出端通过开关电路和整流电路与滤波电路的输入端相连。所述分压电路和开关电路两端分别与电源的正极和负极相连，整流电路的前级为三个降压变压器串联，两端与开关电路的输出端相连，后级为三个全波整流器并联，滤波电路为电容滤波电路，两端分别连接整流器的两个输出端。本发明输入电压等级高，输出直流电压稳定，电路结构简单，开关应力小，变压器设计简化，电源利用率高，供电质量好，稳定性和安全系数较高，成本低，适合地铁动车高铁等高压高速的应用场合。
文档编号H02M3/335GK102545628SQ20111044247
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者李华武, 杨喜军, 马红星 申请人:上海交通大学