一种包含可关断启动电路的高电位取能装置及方法与流程

本发明涉及柔性直流输电和电力电子应用技术领域，特别涉及一种包含可关断启动电路的高电位取能装置及方法。

背景技术：

柔性输配电技术中会用到多个功率单元串联的拓扑，每个功率单元中的驱动板、控制板的电路一般需要15vdc供电，需要从功率单元的电容器取电。根据功率单元所应用的开关器件不同，一般电容电压为1200vdc-4200vdc，即需要将1200vdc-4200vdc，甚至更高的电压，转换为功率单元板卡所需要的15vdc电压。传统dc-dc开关电源电路拓扑的输入电压不超过800vdc，功率单元所需要的高电位取能装置需要在传统电路拓扑上进行调整。

由于输入电压较高，需要解决如下3个基本技术问题：

1、控制电路启动问题。在取能装置正常给控制电路自供电以前，取能装置的控制电路需要具有一定能量才可以启动。

2、开关器件的耐压问题。一般开关管的耐压最高为4500v，耐压裕量不足。

3、开关器件损耗问题。传统电路拓扑在如此高输入电压下，开关损耗十分可观。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种包含可关断启动电路的高电位取能装置及方法，设计了可控关断的启动电路，利用启动电路对控制单元进行初始启动，在控制单元启动后使启动电路关断，采用取能装置本身的电源对控制单元进行供电，有效解决了控制电路启动问题。在主回路单元的设计中采用多个组件输入端串联、输出端并联的方式有效解决了开关器件耐压问题以及开关器件损耗问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种包含可关断启动电路的高电位取能装置，包括启动单元、主回路单元、控制单元；其中，启动单元组件包括全控开关器件2)、电阻1)和4)、稳压管3)和5)、隔离控制器件6)，启动单元由两个或两个以上启动单元组件串联组成，采用限流方式向控制单元供电。

所述的主回路单元组件由电容器11)和14)、主功率变压器14)、驱动变压器12)、全控开关器件13)、电流传感器15)、整流二极管10)组成，主回路单元由两个或两个以上主回路单元组件输入端串联组成，通过驱动全控开关器件13)的通断，向后级输出侧提供能量。

所述的控制单元的核心是主控单片机芯片，其处理电流传感器15)检测的电流信号、主回路单元输出电压反馈的信号，输出相应驱动信号。

所述的启动单元组件的稳压管3)和5)还可以是全控开关器件2)的驱动电压钳位二极管和全控开关器件关断电压钳位二极管，能够防止全控器件门极电压超过器件耐受值和防止全控器件关断电压超过器件耐受值。

所述的启动单元的电阻1)和4)为限流电阻，限流值依据控制单元的电流需求而定。

所述的主回路单元各个组件的驱动变压器12)输入端接收控制单元发出的相同的驱动信号并由输出端连接驱动全控开关器件13)的栅极，控制其导通。

所述主回路单元的各单元组件输出端并联，主回路单元组件送出的能量以并联形式输出，其输出电压幅值由控制单元决定。

一种包含可关断启动电路的高电位取能装置的取能方法，包括以下步骤：

步骤一、所述装置启动前，控制单元无供电电压，无驱动信号输出，主回路单元无驱动电压输入，主回路单元各个组件不工作；

步骤二、所述装置的输入电压vin建立后，启动单元先开始工作，启动单元各组件全控开关器件2)的门极有驱动电压，有电流流经限流电阻4)，限流电阻4)起到负反馈作用，使启动单元的输出电流按照设定值输出；

步骤三、串接在启动单元下端的控制单元的供电端电容器7)电压开始上升，当上升到控制单元的工作阈值电压时，控制单元开始工作；

步骤四、控制单元向主回路单元发出驱动脉冲，驱动主回路单元各个组件的驱动变压器12)，进而驱动各个组件的全控开关器件13)；

步骤五、通过主回路单元的全控开关器件13)的开关动作，使主回路单元的功率变压器9)由初级线圈通过次级线圈向后级传输能量；

步骤六、主回路单元各组件输出的能量经主回路后级整流二极管整流10)，电容器14)滤波，并联后输出；主回路单元的输出即高电位取能装置的输出；

步骤七、主回路单元在工作后，可以同时为控制单元供电，以维持控制单元工作；

步骤八、控制单元稳定工作后，由控制单元通过隔离控制器件6)控制关断启动单元，以减少损耗。

所述的控制单元在向主回路单元发送驱动脉冲的过程中，通过检测电压信号反馈值的大小调整驱动脉冲的宽度，通过检测电流传感器15)的电流信号大小决定发出驱动脉冲的停止时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提出的一种包含可关断启动电路的高电位取能装置及方法，启动电路仅在取能装置正常运行之前工作，降低了取能装置正常工作时的损耗，提高了取能装置的效率。

2、本发明提出的一种包含可关断启动电路的高电位取能装置，主回路单元由多个主回路单元组件串联组成，组件数量由主回路最大输入电压和组件能够承受的最大电压而定，组件所承受的电压可以远低于主回路单元所承受的电压，使主回路单元组件的设计难度大幅度降低，增加了设计灵活度。

3、本发明提出的一种包含可关断启动电路的高电位取能装置，主回路单元组件承受的电压较低，开关管的开关损耗小，取能装置效率较高。

4、本发明提出的一种包含可关断启动电路的高电位取能方法，控制单元在向主回路单元发送驱动脉冲的过程中，通过检测电压信号反馈值的大小调整驱动脉冲的宽度，通过检测电流传感器的电流信号大小决定发出驱动脉冲的停止时间，能够准确的控制取能装置的输出电压。

附图说明

图1是本发明提出的包含可关断启动电路的高电位取能装置拓扑结构示意图；

图2是本发明提出的包含可关断启动电路的高电位取能装置原理图；

图3是本发明提出的包含可关断启动电路的高电位取能装置的启动单元组件的电路原理图；

图4是本发明提出的包含可关断启动电路的高电位取能装置的主回路单元组件的电路原理图。

其中：1-启动电路栅极供电电阻2-启动电路全控器件3-稳压管或瞬态抑制二极管4-启动电路限流电阻5-稳压管或栅极限压二极管6-隔离光耦或继电器7-控制单元滤波电容器8-控制单元9-主回路功率变压器10-主回路后级整流二极管11-主回路前级滤波电容器12-主回路驱动变压器13-主回路全控器件14-主回路后级输出滤波电容器15-主回路电流传感器(非标配，主回路单元至少包含一个)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种包含可关断启动电路的高电位取能装置，包括启动单元、主回路单元、控制单元；

如图2、3所示，所述的启动单元组件包括全控开关器件2)、电阻1)和4)、稳压管3)和5)、隔离控制器件6)，启动单元由两个或两个以上启动单元组件串联组成，采用限流方式向控制单元供电。

如图2、4所示，所述的主回路单元组件由电容器11)和14)、主功率变压器14)、驱动变压器12)、全控开关器件13)、电流传感器15)、整流二极管10)组成，主回路单元由两个或两个以上主回路单元组件输入端串联组成，通过驱动全控开关器件13)的通断，向后级输出侧提供能量。

所述的控制单元的核心是主控单片机芯片，其处理电流传感器15)检测的电流信号、主回路单元输出电压反馈的信号，输出相应驱动信号。

所述的启动单元组件的稳压管3)和5)还可以是全控开关器件2)的驱动电压钳位二极管和全控开关器件关断电压钳位二极管，能够防止全控器件门极电压超过器件耐受值和防止全控器件关断电压超过器件耐受值。

所述的启动单元的电阻1)和4)为限流电阻，限流值依据控制单元的电流需求而定。

所述的主回路单元各个组件的驱动变压器12)输入端接收控制单元发出的相同的驱动信号并由输出端连接驱动全控开关器件13)的栅极，控制其导通。

所述主回路单元的各单元组件输出端并联，主回路单元组件送出的能量以并联形式输出，其输出电压幅值由控制单元决定。

所述的主回路单元中，至少一个主回路单元组件包含电流传感器15)。

一种包含可关断启动电路的高电位取能装置的取能方法，包括以下步骤：

步骤一、所述装置启动前，控制单元无供电电压，无驱动信号输出，主回路单元无驱动电压输入，主回路单元各个组件不工作；

步骤二、所述装置的输入电压vin建立后，启动单元先开始工作，启动单元各组件全控开关器件2)的门极有驱动电压，有电流流经限流电阻4)，限流电阻4)起到负反馈作用，使启动单元的输出电流按照设定值输出；

步骤三、串接在启动单元下端的控制单元的供电端电容器7电压开始上升，当上升到控制单元的工作阈值电压时，控制单元开始工作；

步骤四、控制单元向主回路单元发出驱动脉冲，驱动主回路单元各个组件的驱动变压器12)，进而驱动各个组件的全控开关器件13)；

步骤五、通过主回路单元的全控开关器件13)的开关动作，使主回路单元的功率变压器9)由初级线圈通过次级线圈向后级传输能量；

步骤六、主回路单元各组件输出的能量经主回路后级整流二极管整流10)，电容器14)滤波，并联后输出；主回路单元的输出即高电位取能装置的输出；

步骤七、主回路单元在工作后，可以同时为控制单元供电，以维持控制单元工作；

步骤八、控制单元稳定工作后，由控制单元通过隔离控制器件6)控制关断启动单元，以减少损耗。

所述的控制单元在向主回路单元发送驱动脉冲的过程中，通过检测电压信号反馈值的大小调整驱动脉冲的宽度，通过检测电流传感器15)的电流信号大小决定发出驱动脉冲的停止时间。

所述装置的工作过程为：输入上电后，启动单元最先开始工作，为控制单元供电，控制单元供电电压达到某程度时，控制单元、主回路单元开始工作，控制单元、主回路单元正常工作后，可以由控制单元输出信号，关断启动电路。

启动单元为控制单元工作提供所必须的能量，启动单元提供的电流可控，在控制单元和主回路单元正常工作后，可以由控制单元输出信号关断启动单元，以减少损耗。主回路单元通过全控开关器件的通断，使主回路功率变压器向输出侧传递能量，由输出侧电容器进行滤波。控制单元由启动电路提供开始工作所必须的能量，接收主回路单元反馈的主回路单元前级电流信号，接收主回路单元输出的电压信号。

以上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上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。