一种高效电力直流高频开关整流器制造技术

一种用于电力直流电源成套装置的高效电力直流高频开关整流器，由有源功率因数校正器、直流－直流变换器组成，由平均电流型双环控制方式控制的功率因数校正器对交流输入电流波形进行校正，使之跟随输入电压变化，功率因数可达０．９９以上，消除整流器对电网的谐波污染，整流器中的开关元件采用新型电力半导体器件和专门设计的隔离单端双电压高速驱动器，降低开关元件的开关损耗，提高整流器效率，具有使用可靠、体积小、成本低之优点，可广泛应用于电力直流电源成套装置。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种用于变电站直流电源成套装置的高频开关整流器。电力系统的变电站广泛采用由蓄电池组成的直流控制电源，蓄电池需要定期进行充电，这就需要将交流动力电源转变为直流电源的电源装置，通常称之为整流器。整流器除为蓄电池组充电外，还提供常用控制负荷的用电。国内外电力直流电源成套装置中使用的整流器大多是晶闸管相控整流器，由工频变压器、晶闸管整流桥、滤波电感和电容组成，工频变压器实现整流器与电网的隔离，通过控制晶闸管的导通角改变输出电压，满足蓄电池不同工况时的要求。由于这种整流器是在工频情况下进行电压变换，体积大、笨重，另外其电气性能指标，比如稳压、稳流精度、纹波电压系数较低、噪音大，难以满足阀控密封铅酸蓄电池的充电要求。目前，为改进晶闸管相控整流器的上述缺陷，有电力高频开关整流器，其由输入整流滤波、逆变电路、高频变压器、高频整流和输出滤波电感、电容组成。输入整流滤波将工频交流整流，经电容或电感电容滤波变为直流，逆变电路将直流变为高频方波脉冲(PWM脉冲)，由高频变压器进行电压变换和实现与电网的隔离，经高频整流和输出电感、电容滤波，获取所需的直流，输出电压的改变通过调整PWM脉冲的占空比来实现。与相控整流器相比，具有体积小、重量轻、稳压稳流精度高、纹波电压系数小、噪音小等优点，但仍存在以下缺陷1)由于输入部分采用电容滤波，只有在交流电网电压高于滤波电容两端电压时，滤波电容才开始充电，因此输入电流波形是宽度很窄的脉冲，这种电流的谐波分量很大，输入总谐波失真可高达100％～130％，功率因数只有0．6～0．7。尽管可以采用电感、电容滤波方法进行补偿，功率因数仍然低于0．92的水平。低功率因数的开关整流器存在许多问题谐波电流污染电网，干扰变电站其他二次用电设备，造成测量仪表产生较大误差；另外，在输出功率一定的情况下，输入电流的有效值较大，必须增加电源线、输入熔断器和断路器的规格。2)经电容滤波后的直流电压会随着电网电压的波动而变化，为保证整流器在很宽的电网电压范围内工作，比如电网电压变化±20％，PWM脉冲的占空比必须在很大范围内变化，从而增加整流器控制方式的不稳定性。3)逆变部分的高频开关元件通常采用功率场效应管(MOSFET)，场效应管的导通特性可等效为阻性，在大电流的情况下，产生很大的功率损耗，该损耗以热的形式耗散场效应管的管芯中，需要增大外加散热器的面积来降低管芯温度。本技术的目的在于提供一种具有高功率因数的电力直流高频开关整流器，消除对电网的谐波污染，拓宽交流输入电压范围。本技术的第二个目的是提供一种具有高效率的电力直流高频开关整流器。为达到上述目的，本技术是这样实现的有源功率因数校正器(1)和直流-直流变换器(2)两部分串联组成整流器，并安装在散热器(3)上，有源功率因数校正器(1)将交流输入变换为400V左右的直，直流-直流变换器(2)将400V直流经逆变、电压变换隔离、整流为220V左右的直流输出，其特征是有源功率因数校正器(1)采用平均电流型控制器。所用的直流-直流变换器(2)采用半桥拓扑结构。为了达到第二个目的，本技术的有源功率因数校正器(1)和直流-直流变换器(2)采用warp系列绝缘栅双极晶体管(IGBT)。所用的直流直流变换器(2)采用隔离单端双电压高速驱动器(4)。为了完成本技术的其它目的，有源功率因数校正器(1)的开关管由控制芯片直接驱动。所用的直流-直流变换器(2)采用电压型控制器。为更好地说明本专利技术，下面通过附图予以详细说明。附附图说明图1是本技术的外型剖面图。附图2是有源功率因数校正器的电气原理示意图。附图3是专为绝缘栅双极晶体管半桥拓扑结构设计的隔离单端双电压高速驱动器的电气原理示意图。其中图号1有源功率因数校正器；2直流-直流变换器；3散热器4隔离单端双电压高速驱动器； 5整流桥6控制器； 7储能电感；8绝缘栅双极晶体管9二极管； 10电容； 11脉宽调制脉冲12二极管； 13驱动管； 1415V电源15驱动变压器； 16电阻； 17电阻18绝缘栅双极晶体管；19驱动脉冲； 20二极管以下结合附图对本技术予以详细说明。有源功率因数教正器(1)和直流-直流变换器(2)装配在散热器(3)上，需要散热的功率器件直接和散热器(3)接触，隔离单端双电压高速驱动器(4)装焊在直流-直流变换器(2)上，交流输入经有源功率因数校正器(1)变为恒定直流电压，接到直流-直流变换器(2)的输入端，经过变换变为所需直流输出。有源功率因数校正器(1)采用升压变换方式，主要由整流桥(5)、储能电感(7)、绝缘栅双极晶体管(8)、二极管(9)、滤波电容(10)和控制器(6)组成。控制器(6)采用平均电流型双环控制，实时采集交流整流后的电压、电流波形和滤波电容(10)两端的直流电压信号，综合处理后转变成脉宽调制(PWM)信号，控制绝缘栅双极晶体管(8)的导通或关断。绝缘栅双极晶体管(8)导通后，储能电感(7)中的电流线性上升，当电流的波形与整流后的电压波形相交时，控制器(6)的信号使绝缘栅双极晶体管(8)关断，储能电感(7)两端的自感电势使二极管(9)导通，储能电感(9)通过二极管(9)对滤波电容(10)放电，储能电感(7)中的电流线性下降，当电流下降到零后，控制器(6)使绝缘栅双极晶体管(8)再次导通，重复上述过程，从而控制输入电流平均值始终跟随输入电压的波形，即输入电压与输入电流同相，使功率因数接近于1。warp系列绝缘栅双极晶体管是一种新型的功率开关元件，与以往的同类器件相比，导通损耗更小，开关速度更快；与场效应功率管相比，开关速度略低，但导通损耗小。为了发挥这种功率开关元件的潜力，保证直流-直流变换器(2)中绝缘栅双极晶体管的可靠关断，本技术设计了一种简单可靠的高速隔离驱动器(4)。脉宽调制脉冲(11)的高电平使驱动管(13)导通，15V电电源(14)加在驱动变压器(15)的初级线圈两端，次级线圈两端耦合出相位的15V电压，通过电阻(16)驱动绝缘栅双极晶体管(18)。在脉宽调制脉冲(11)的后沿，驱动管(13)关断，驱动变压器(15)初级绕组的电流通过辅助绕组和二极管(12)放电，在次级绕组两端感应出-15V电压，该电压通过电阻(16)向绝缘栅双极晶体管(18)的栅电容反向快速充电，使其栅极电压迅速由正电压变为负电压，在很短的时间内关断；然后栅极电荷和驱动变压器(15)次级的感应电流通过电阻(17)和二极管(20)放电，使绝缘栅双极晶体管(18)的栅极负电压升高，在下一次导通之前，栅极电压变为零。该高速隔离驱动器是本技术中实现绝缘栅双极晶体管快速关断、提高整流器效率的关键部分。与目前的电力直流高频开关整流器相比，本技术至少具有下述技术优越性1)可以大幅度提高整流器的功率因数(大于0．99)，降低谐波失真(小于5％)。2)可以提高整流器的效率，以1．5kW整流器为例，效率可以提高到92％以上。本技术由于采用了有源功率因数校正器(1)、半桥拓扑结构的直流-直流变换器(2)、新型warp系列绝缘栅双极晶体管(8、18)和高速隔离双电压驱动器(4)，提高了整流器的功率因数，降低了功率损耗，消除了对电网的谐波污本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效电力直流高频开关整流器，由有源功率因数校正器（１）和直流－直流变换器（２）串联组成，安装在散热器（３）上，有源功率因数校正器（１）将交流输入变换为４００Ｖ左右的直，直流－直流变换器（２）将４００Ｖ直流经逆变、电压变换隔离、整流为２２０Ｖ左右的直流输出，将其特征是有源功率因数校正器（１）采用平均电流型双环控制器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张国君，王学礼，林波，隋鲁波，王伟，
申请(专利权)人：烟台东方电子信息产业集团有限公司，烟台东方玉麟电子有限公司，
类型：实用新型
国别省市：37[中国|山东]