一种新型的辅助供电电源拓扑结构的制作方法

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种新型的辅助供电电源拓扑结构；适合作为电力电子变压器，模块化多电平变换器，级联型变换器等模块化变流装置的辅助供电电源。

背景技术：

在高压大功率电力电子变换器系统中，电力电子装置的驱动电路、控制电路、传感器和系统保护、监控电路等往往需要独立于主功率回路的辅助电源对其进行供电，也称之为辅助供电电源。辅助供电电源虽然输出功率不大，但作用重大，是维持电力电子装置正常启动、运行和保护的基本环节。在高压大功率的应用环境下，辅助供电电源的设计不仅需要考虑电源的取电方式和电路拓扑结构，还需要兼顾电力电子装置的特定拓扑结构、系统的高压绝缘需求与电磁兼容防护需求等因素。

对于高压大功率的电力电子变换器系统，通常采用模块化串并联技术来进一步提高变换器容量，并降低各开关管的电压和电流应力。随着功率等级和电压等级的不断增高，所需的模块数量也随之提升，这对辅助供电电源的设计提出了更高的要求：

1)系统的模块数量多，需要多路输出的辅助供电电源分别为各模块中的传感器，驱动电路和控制电路等辅助用电负载供电；2)高压大功率电力电子变换器系统的输入电压及功率等级都非常高，如电力电子牵引变压器主电路处在输入电压15kv/16.7hz或25kv/50hz，额定功率为mw级，需要对辅助供电电源和主电路进行隔离和绝缘处理，确保供电电源与主电路间的电气隔离，并防止各模块供电电源间的影响；3)为了确保辅助用电负载的正常工作，需要保证在不同的输出功率下以及某些极端情况下(如电源输出短路或开路情况下)，辅助供电电源的输出能够满足设计要求。

现有技术中，许多电力电子装置的辅助供电电源主要采用公共电压母线供电方式，多个辅助隔离变换器从外部电压母线上并联取电，彼此相互独立，该种方案在中低压且输出路数较少的场合应用广泛。但是在高压大功率环境下，由于主电路模块数较多，需要辅助供电电源提供更多的隔离输出，且隔离所需的电压绝缘等级很高。若采用上述辅助供电电源方案，其隔离变压器绕制所需的原副边较多，需要很高的成本和代价才能满足辅助供电电源变压器绕组的绝缘需求。因此，采用现有的集中式辅助供电电源方案在高压大功率的应用场合具有明显的缺陷。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的在于针对现有的集中式辅助供电电源在高压大功率应用环境下因系统模块数量多以及隔离绝缘要求高所造成的设计复杂和高成本问题提出了一种新型的辅助供电电源拓扑结构，可输出多路隔离的输出电压，只需要对电流源变换器进行控制，在电力电子变换器系统模块数增加的情况下，无需增加额外的控制器，在节约成本的同时，也保证了辅助供电电源工作的稳定性和可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型的辅助供电电源拓扑结构，包括电流源变换器、全桥逆变单元和整流单元；所述整流单元包括多个隔离变压器和多个整流桥；所述电流源变换器的输出端和所述全桥逆变单元的输入端连接；所述全桥逆变单元的输出端和所述整流单元的输入端连接。

进一步地，所述电流源变换器的输出端和所述全桥逆变单元的输入端通过端口p、端口q进行连接；所述全桥逆变单元的输出端和所述整流单元的输入端通过端口a、端口b进行连接。

进一步地，所述电流源变换器包括开关管sb、电力二极管db1、电力二极管db2和滤波电感lr；

所述开关管sb的漏极以及所述电力二极管db2的负极与端口l进行连接；所述电力二极管db1的正极与端口n以及端口q进行连接；所述开关管sb的源极以及所述电力二极管db1的负极与端口m进行连接；所述端口m与所述滤波电感lr的一端相连接，所述滤波电感lr的另一端以及所述电力二极管db2的正极连接至端口p。

进一步地，所述全桥逆变单元为全桥电路，包括开关管sp1、开关管sp2、开关管sp3、开关管sp4；所述开关管sp1以及所述开关管sp3的漏极与所述端口p连接，所述开关管sp2以及所述开关管sp4的源极与所述端口q连接；所述开关管sp1的源极以及所述开关管sp2的漏极连接至所述端口a；所述开关管sp3的源极以及所述开关管sp4的漏极连接至所述端口b。

进一步地，所述整流单元包括n个隔离变压器和与所述n个隔离变压器一一对应的n个整流桥；n为辅助供电电源的输出路数；

n个隔离变压器t1、t2、…tj、…、tn的一次侧输入端口按端口a-a1-b1-a2-b2-…-an-bn-端口b的顺序串联；

第j个隔离变压器tj通过隔离变压器二次侧输出端口cj、dj与第j个整流桥进行连接；第j个所述整流桥包括电力二极管dj1、电力二极管dj2、电力二极管dj3、电力二极管dj4；所述电力二极管dj1的正极以及所述电力二极管dj2的负极连接至端口cj；所述电力二极管dj3的正极以及所述电力二极管dj4的负极连接至端口dj；所述整流桥的输出端连接有输出滤波电容coj；所述电力二极管dj1的负极以及所述电力二极管dj3的负极与所述滤波电容coj的一端连接，所述电力二极管dj2的正极以及所述电力二极管dj4的正极与所述滤波电容coj的另一端连接；其中j＝1,2,…,n。

进一步地，所述隔离变压器采用单匝绝缘电缆线作为交流电流母线穿过所有隔离变压器的磁环作为隔离变压器t1、t2、…、tj、…、tn的一次侧，该单匝绝缘电缆的绝缘等级取决于辅助供电电源与主电路间所需的隔离电压；二次侧绕组的绝缘电压只需满足供电模块内部的绝缘电压要求，二次侧绕制匝数取决于输出电压的额定要求。

进一步地，所述电流源变换器采用pwm脉宽控制，电流传感器采集所述滤波电感lr的电流信号il，并把电流信号il转换成电压信号vb，将电压信号vb与参考电压信号vbref进行比较，比较结果经控制器调节后得到调制电压信号vc，将vc与三角波进行比较，当vc幅值大于三角波幅值，驱动信号为高电平，控制开关管sb开通；当vc幅值小于三角波幅值，驱动信号为低电平，控制开关管sb关断。通过对开关管sb进行pwm脉宽控制，能够控制滤波电感lr电流，实现电流源变换器恒流输出，进而实现对输出功率的控制以及对输出短路故障的保护。

进一步地，所述全桥逆变单元的左侧桥臂开关管sp1、sp2与右侧桥臂开关管sp3、sp4均采用50％占空比的互补方波脉冲进行控制，且左侧桥臂的上管sp1与右侧桥臂的下管sp4的脉冲时序完全同步；左侧桥臂的下管sp2与右侧桥臂的上管sp3的脉冲时序完全同步。

进一步地，所述开关管sb、所述开关管sp1、所述开关管sp2、所述开关管sp3、所述开关管sp4采用mosfet或igbt。

本发明的有益技术效果：

1)本发明所提出的辅助供电电源拓扑结构可输出多路隔离的输出电压；全桥逆变单元输出侧只需单匝绝缘电缆线作为交流电流母线穿过所有隔离变压器的磁环作为隔离变压器t1、t2、…、tj、…、tn的一次侧，故随着电力电子变换器系统模块数n的增加，只需增加相同数量的整流单元无需增加电流源变换器、全桥逆变单元以及相应的控制电路，在节约供电电源成本的同时，也保证了辅助供电电源工作的稳定性和可靠性；并且，在本申请中由于单匝绝缘电缆的绝缘等级满足辅助供电电源与主电路间所需的隔离电压，因此，辅助供电电源的隔离变压器能够确保供电电源与主电路间的电气隔离；

2)本发明所提出的辅助供电电源，使用单匝高压绝缘电缆线穿过所有隔离变压器的磁环作为隔离变压器的一次侧，即隔离变压器一次侧的绕组匝数为1，大大降低了隔离变压器的绝缘设计难度；

3)本发明所提出的辅助供电电源，其隔离变压器一次侧采用单匝电缆穿过各单元的磁环，能够获得较小的励磁电感值，从而抑制输出电流随负载变化而线性变化，因此，当负载发生变化时，能够始终令输出电压保持较小的变化范围和幅值差异。从而降低后级直流稳压电路的设计难度，提高了后级稳压电路的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为是一种典型的电力电子牵引变压器拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例中一种新型的辅助供电电源拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例中隔离变压器与整流桥拓扑结构示意图；

图4是本发明实施例中电流源变换器控制结构示意图；

图5是本发明实施例中用作电力电子牵引变压器辅助供电电源的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

针对现有技术中，辅助供电电源中的隔离变压器绕制所需的原副边较多，需要很高的成本和代价才能满足辅助供电电源变压器绕组的绝缘需求，采用现有的集中式辅助供电电源方案在高压大功率的应用场合具有明显的缺陷的技术问题，本发明提供一种新型的辅助供电电源拓扑结构的实施例。

所述新型的辅助供电电源拓扑结构包括电流源变换器、全桥逆变单元和整流单元；所述整流单元包括多个隔离变压器和多个整流桥；所述电流源变换器的输出端和所述全桥逆变单元的输入端连接；所述全桥逆变单元的输出端和所述整流单元的输入端连接。

在本实施例中，所述电流源变换器的输出端和所述全桥逆变单元的输入端通过端口p、端口q进行连接；所述全桥逆变单元的输出端和所述整流单元的输入端通过端口a、端口b进行连接。

如图2所示，在本实施例中，所述电流源变换器包括开关管sb、电力二极管db1、电力二极管db2和滤波电感lr；

所述开关管sb的漏极以及所述电力二极管db2的负极与端口l进行连接；所述电力二极管db1的正极与端口n以及端口q进行连接；所述开关管sb的源极以及所述电力二极管db1的负极与端口m进行连接；所述端口m与所述滤波电感lr的一端相连接，所述滤波电感lr的另一端以及所述电力二极管db2的正极连接至端口p。通过调节开关管sb的占空比，可以控制滤波电感lr电流，实现电流源变换器恒流输出，进而实现对输出功率的控制以及对输出短路故障的保护。

在本实施例中，所述全桥逆变单元为全桥电路，包括开关管sp1、开关管sp2、开关管sp3、开关管sp4；所述开关管sp1以及所述开关管sp3的漏极与所述端口p连接，所述开关管sp2以及所述开关管sp4的源极与所述端口q连接；所述开关管sp1的源极以及所述开关管sp2的漏极连接至所述端口a；所述开关管sp3的源极以及所述开关管sp4的漏极连接至所述端口b，全桥逆变单元用来将恒流源输入变换为交变电压、电流信号。

图3是本发明实施例中隔离变压器与整流桥拓扑结构示意图，结合图2进行说明，在本实施例中，所述整流单元包括n个隔离变压器和与所述n个隔离变压器一一对应的n个整流桥；n为辅助供电电源的输出路数，也即主电路所需的隔离辅助供电电源数。

n个隔离变压器t1、t2、…tj、…、tn的一次侧输入端口按端口a-a1-b1-a2-b2-…-an-bn-端口b的顺序串联；

第j个隔离变压器tj通过隔离变压器二次侧输出端口cj、dj与第j个整流桥进行连接；第j个所述整流桥包括电力二极管dj1、电力二极管dj2、电力二极管dj3、电力二极管dj4；所述电力二极管dj1的正极以及所述电力二极管dj2的负极连接至端口cj；所述电力二极管dj3的正极以及所述电力二极管dj4的负极连接至端口dj；所述整流桥的输出端连接有输出滤波电容coj；所述电力二极管dj1的负极以及所述电力二极管dj3的负极与所述滤波电容coj的一端连接，所述电力二极管dj2的正极以及所述电力二极管dj4的正极与所述滤波电容coj的另一端连接；其中j＝1,2,…,n。

在本实施例中，所述的隔离变压器采用环形磁芯，采用单匝绝缘电缆线作为交流电流母线穿过所有隔离变压器的磁环作为隔离变压器t1、t2、…、tj、…、tn的一次侧，该单匝绝缘电缆的绝缘等级取决于辅助供电电源与主电路间所需的隔离电压；在每个隔离变压器的磁环上适当绕几匝作为隔离变压器二次侧；二次侧绕组的绝缘电压只需满足供电模块内部的绝缘电压要求，二次侧绕制匝数取决于输出电压的额定要求。在本实施例中隔离变压器一次侧采用单匝电缆穿过各单元的磁环，能够获得较小的励磁电感值，从而抑制输出电流随负载变化而线性变化，因此，当负载发生变化时，能够始终令输出电压保持较小的变化范围和幅值差异。

如图4是本实施例中的电流源变换器控制结构示意图，所述电流源变换器采用pwm脉宽控制，电流传感器采集所述滤波电感lr的电流信号il，并把电流信号il转换成电压信号vb，将电压信号vb与参考电压信号vbref进行比较，比较结果经控制器调节后得到调制电压信号vc，将调制电压信号vc送入比较器中与三角波进行比较，当vc幅值大于三角波幅值，驱动信号为高电平，控制开关管sb开通；当vc幅值小于三角波幅值，驱动信号为低电平，控制开关管sb关断。通过对开关管sb进行pwm脉宽控制，可以控制滤波电感lr电流，实现电流源变换器恒流输出，进而实现对输出功率的控制以及对输出短路故障的保护。

在本实施例中，所述全桥逆变单元的左侧桥臂开关管sp1、sp2与右侧桥臂开关管sp3、sp4均采用50％占空比的互补方波脉冲进行控制，且左侧桥臂的上管sp1与右侧桥臂的下管sp4脉冲时序完全同步。

在本实施例中，所述开关管sb、所述开关管sp1、所述开关管sp2、所述开关管sp3、所述开关管sp4采用mosfet或igbt。

图1是一种典型电力电子牵引变压器拓扑结构示意图，该电力电子牵引变压器由n个ac/dc模块和n个dc/dc模块组成。其中，n个ac/dc模块的交流输入侧依次串联，n个dc/dc模块的直流输出侧依次并联。第j个ac/dc模块的输出侧与第j个dc/dc模块的输入侧共用直流母线支撑电容cdcj，第j个dc/dc模块的输出侧与直流母线支撑电容coj相连，其中j＝1,2,…,n。

图5是将本发明上述实施例中的辅助供电电源用作电力电子牵引变压器辅助供电电源的示意图。如图5所示辅助供电电源从高速列车的充电机输出侧取电，经过电能变换后，产生多路隔离的辅助供电输出。当输出电压有额定电压要求时，可以在输出供电输出后接隔离式dc/dc模块，从而得到所需要的供电输出电压；进而为电力电子牵引变压器各模块的传感器、控制电路和驱动电路供电。

并且，在发明中，当该电源处于短路工况下时，输出电流依然受恒流源的限制，不会产生短路故障。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。