一种船用三相380V输入高功率因数高压净化电源装置的制作方法

本发明涉及船用三相380v输入高压静电净化电源技术领域，具体是一种船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置。

背景技术：

船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置，是一种新颖的智能化高压净化电源装置，具有高输入功率因数、高功率密度、无低频噪声、电磁干扰小、可靠性高、便于计算机远程控制等优越性能。

船舶三相380v输入高压静电净化领域目前仍主要采用变压器低频升压整流、高频不控整流等传统电源技术，虽然技术成熟，但体积重量较大，功率密度低，低频噪声较大，网侧功率因数较低，对电网污染严重，且不适应船舶电气智能化发展的需求。因此，研制高性能、智能化、“绿色”船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置，用于替代变压器低频升压整流、高频不控整流等传统高压净化电源装置，以实现船舶三相380v输入高压静电净化领域高功率因数、高性能、智能化的发展需求。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置，

包括三相单开关pfc功率单元、双管正激dc-dc功率变换单元、高频变压器、倍压整流功率单元、基于arm的监控单元；

所述三相单开关pfc功率单元，用于将380v三相三线输入电源变换成稳定的直流800v电源输出，供后级双管正激dc-dc功率变换单元使用，同时使380v网侧电源的输入功率因数达0.95以上，有效降低网侧输入无功损耗及谐波干扰；

所述双管正激dc-dc功率变换单元，用于将前级三相单开关pfc功率单元输出直流800v电源变换成高频功率脉冲波，供高频变压器升压使用；采用碳化硅功率元件的该功率变换单元，是目前船用领域中小功率等级dc-dc隔离变换综合性能最优、最新颖的电路结构之一。

所述高频变压器，用于将双管正激dc-dc功率变换单元输出的高频功率脉冲波升压至2kv左右的高频脉冲波，供后级倍压整流功率单元倍压使用；

所述倍压整流功率单元，用于将高频变压器输出的2kv左右的高频脉冲波倍压整流成12kv直流电压，供高压空气净化使用；

所述基于arm的监控单元，用于对各功率组成单元的运行状态进行实时监测，并通过can网络向上级监控系统传输运行参数、故障信息，同时接收上级监控系统向该高压净化电源装置发送的开关命令。

其中，所述三相单开关pfc功率单元包括三个boost高频电感、六个功率二极管、一个碳化硅高频功率管及控制电路。控制电路由电压环和电流环两种电路构成，电压环电路起主要作用，输出电压经过电阻分压，与参考电压的误差经过放大后与三角波比较，来控制功率管的开关动作，采用uc1525等专用集成控制芯片进行pwm脉宽信号的产生和调理；电流环用于防止母线过流，起到电路限流功能，其不直接参与输出电压控制；三相单开关pfc电路开关频率设置在40khz，远高于电网频率50hz，在一个开关周期内，输入电压近似不变，开关导通期间，加在三个boost电感上的电压分别为各相此时的相电压，电感电流线性上升，在这期间各相的电流峰值正比于对应各相相电压瞬时值，由于电流脉冲在开始时为零，这样它们的平均值按正弦规律变化，以实现功率因数校正的功能。

其中，所述双管正激dc-dc功率变换单元由两个碳化硅高频功率管、两个碳化硅快恢复二极管、rcd缓冲电路及控制电路构成；控制电路设计成基于电流型pwm控制芯片uc1845的恒流恒压双闭环控制模式；电路采集电流反馈信号和电压反馈信号进行pi调节，两个控制环的输出控制信号同时输入到uc1845的comp脚，实现两路控制信号的低有效；采样元件将流经高频功率管的瞬时电流信号输入到uc1845的isense脚，同时电路设计成软启动功能。

其中，所述高频变压器采用符合船用条件的非晶及纳米晶软磁合金材料，并采用多股并绕工艺，实现将双管正激dc-dc功率变换单元输出的高频脉冲波升压至2kv左右高频脉冲波的目的。

其中，所述倍压整流功率单元由12个高压二极管、9个高压电容组成，高压二极管选用低导通压降型号，高压电容选用低漏电流规格。

其中，所述基于arm的监控单元由arm、信号调理电路、状态隔离电路、can通讯电路组成，实现电源装置运行状态的实时监测及与上级监控系统的通讯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够产生可整定、限电压、限电流的12kv直流高压输出以净化空气，同时满负荷工作时三相输入电源的功率因数可达0.95以上，有效地降低了网侧输入无功损耗及谐波干扰；此外，该高压净化电源装置亦能够对各功率单元的运行状态进行实时监测，并通过can网络向上级监控系统传输运行参数、故障信息等，同时接收上级监控系统发送的开关命令。相较于传统的变压器低频升压整流、高频不控整流等船用高压电源装置，具有明显优势，因此在船舶领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例中三相单开关pfc电路及其控制电路。

图2为本发明实施例中三相单开关pfcboost电感上电流波形。

图3为本发明实施例中三相单开关pfc各阶段等效电路；

图中：(a)t1期间；(b)t2期间；(c)t3期间；(d)t4期间。

图4为本发明实施例中三相单开关pfc输入相电流波形与m关系。

图5为本发明实施例中双管正激dc-dc功率变换单元主电路。

图6为本发明实施例中双管正激dc-dc功率变换单元电流控制环。

图7为本发明实施例中双管正激dc-dc功率变换单元电压控制环。

图8为本发明实施例中双管正激dc-dc功率变换单元uc1845控制电路。

图9为本发明实施例中倍压整流功率单元。

图10为本发明实施例一种船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置的系统框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图10所示，本发明实施例提供了一种船用三相380v输入高功率因数高压净化电源装置，

包括三相单开关pfc功率单元、双管正激dc-dc功率变换单元、高频变压器、倍压整流功率单元、基于arm的监控单元；

本发明所述三相单开关pfc电路及其控制框图如图1所示，三相单开关pfc电路可以看成是单相电流断续pfc在三相电路中的延伸。控制电路电压环起主要作用，输出电压经过电阻分压，与参考电压的误差经过放大后与三角波比较，来控制功率管的开关动作，采用uc1525等专用集成控制芯片进行pwm脉宽信号的产生和调理；电流环用于防止母线过流，起到电路限流功能，其不直接参与输出电压控制。三相单开关pfc电路开关频率设置在40khz，远高于电网频率50hz，在一个开关周期内，输入电压近似不变，开关导通期间，加在三个boost电感上的电压分别为各相此时的相电压，电感电流线性上升，在这期间各相的电流峰值正比于对应各相相电压瞬时值，由于电流脉冲在开始时为零，这样它们的平均值按正弦规律变化，以实现功率因数校正的功能。

设三相单开关pfc的主要参数：vo为输出直流电压，d为开关占空比，fs为开关频率，l为boost电感值，m为升压比，定义m＝vo/vm,vm为输入相电压的峰值。三相单开关pfc电路工作时三个boost电感上的电流波形，如图2所示(设vc<0，va>vb>0)。在一个开关周期内可以分成四个阶段，在t1期间开关导通，电流ia、ib、ic线性增加；t2期间开关关断，ia、ib、ic在输出电压和相电压的共同作用下开始减小，最后ib减小到零，t2期间结束，开始t3期间；最后ia、ic同时回到零，t3阶段结束；在t4期间三个boost电感电流ia、ib、ic保持为零。各阶段等效电路，如图3所示。

图4给出了输入相电流波形与升压比m关系，不难理解，为了减小网侧输入电流的畸变就要提高输出电压值(输出直流电压高，可以缩短一个开关周期内输入电流平均值与输入电压瞬时值的非线性阶段t2和t3，因而可以减小电流畸变)，虽然这增大了开关管承受的电压，也增加了后面dc-dc变换器的电压耐量，给boost二极管的选择带来困难，但利用最新科技成果的碳化硅功率器件，其1700v的高耐压完全可以解决上述问题。该电路的优势是：电路简洁，仅使用一只功率开关管，控制相对容易；由于电路工作在dcm下，boost二极管ds不存在反向恢复问题，一般情况下可以不使用吸收电路；开关在零电流下导通，开关开通损耗小；系统成本低。

图5为本发明所述双管正激dc-dc功率变换单元主电路，主要由两个碳化硅高频功率管、两个碳化硅快恢复二极管、高频功率管rcd缓冲电路构成。控制电路电流控制环和电压控制环，分别如图6和图7所示，采集电流反馈信号和电压反馈信号进行pi调节，两个控制环的输出控制信号vb同时输入到控制芯片uc1845的comp脚，实现两路控制信号的低有效；使用高精度采样元件采样主电路流经碳化硅高频功率管的电流，将瞬时采样信号输入到uc1845的isense脚，同时电路设计成软启动功能，uc1845控制电路如图8所示。采用碳化硅功率元件的双管正激dc-dc功率变换单元，是目前船用领域中小功率等级dc-dc隔离变换综合性能最优、最新颖的电路结构之一。

本发明所述倍压整流功率单元如图9所示，主要由12个高压二极管和9个高压电容组成，形成高频变压器副边六倍压的整流能力。需要注意的是，为了保证稳定的、高质量12kv直流输出，高压二极管应选用低导通压降型号，高压电容应选用低漏电流规格。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。