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醫(yī)院ICU探視系統(tǒng)廠家 分布式高壓隔離輔助電源供電裝置

2023-10-21 10:49

針對傳統(tǒng)輔助電源存在高壓隔離性能差、安裝方式不夠靈活、成本高等問題,提出了一種分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的設(shè)計方案,介紹了該裝置的硬件電路、軟件設(shè)計。并且對該裝置的主回路進(jìn)行了仿真分析,并且和實際的實驗結(jié)果做了對比說明。
該裝置可實現(xiàn)多路高壓隔離輸出,可以根據(jù)需要輸出不同的電壓等級,具有輸出穩(wěn)定性好、電氣絕緣性能可靠且易于實現(xiàn)、抗干擾性能優(yōu)異、安裝方式靈活、成本低的特點。

大功率或中功率電源系統(tǒng)往往需要獨立于主功率回路的輔助電源對其供電。輔助電源的輸出功率雖然不大,但它是一個電源系統(tǒng)中非常重要的部分,將影響到整個電源系統(tǒng)的性能。例如,一般的高壓變頻器都采用逆變單元串聯(lián)的方式,每個單元的對地絕緣電壓要求比較高。這就要求各逆變單元的輔助電源除滿足高穩(wěn)定性和高可靠性的基本要求外,要與主回路電源相互隔離,各個單元之間也必須相互隔離,并且隔離的電壓等級要求很高。
在電源系統(tǒng)中,控制、驅(qū)動電路往往需要不同的電壓等級進(jìn)行供電,而同一電壓等級也需要多個輔助供電電源。為了滿足這種輔助供電的需求,通常將輸入的電網(wǎng)電壓直接變換成負(fù)載所需要的供電電壓,或者通過增加變換器的輔助繞組來增加輸出的路數(shù),再用較長的連線將轉(zhuǎn)換好的電壓連接到負(fù)載上。這種供電方式稱為集中式供電。
這種方法雖然設(shè)計簡單,供電獨立,但成本、體積、重量都會加大,且在需要有高電壓隔離的應(yīng)用場合,變壓器必須做特殊處理才能滿足高壓隔離的要求。
近年來,分布式的多路輸出結(jié)構(gòu)有了飛速的發(fā)展并且在一些電源系統(tǒng)中已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用。所謂分布式的電源系統(tǒng)是指將輸入的電網(wǎng)電壓變換成某一中間電壓作為母線,再在需要的地方用一批直流/直流(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器,將其變換成系統(tǒng)所需要的電壓。這可以大大的減小重量和體積,提高可靠性,還可以更好的控制達(dá)到各負(fù)載板上電源的質(zhì)量。
分布式電源系統(tǒng)的冗余性、擴(kuò)展性、靈活性也大大加強(qiáng)。但其也存在一定的問題,就是在需要高壓隔離的場合,(DC/DC)或整流(AC/DC)變換器一次側(cè)和二次側(cè)之間也必須達(dá)到需要滿足的絕緣耐壓要求,這就會使整個的成本增加。
在此基礎(chǔ)上,筆者提出了一種分布式高壓隔離輔助電源供電裝置的設(shè)計方案,該裝置吸取了分布式輔助電源供電方式的優(yōu)點,并且改進(jìn)了其隔離性能,可以根據(jù)需要滿足不同電壓等級的絕緣耐壓要求。
1分布式高壓隔離輔助電源供電裝置硬件設(shè)計 由輔助電源供電裝置主回路電路、控制和檢測電路部分構(gòu)成。
1.1 輔助電源供電裝置主回路電路

圖1 供電電路原理框圖

如圖1所示,供電裝置的主回路進(jìn)線采用單相交流電源,經(jīng)二極管D1~4后整流為直流,再經(jīng)平波電容C1、C2濾波,得到一個直流電壓。在控制電路的作用下,半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器(Q1、Q2)將直流電壓逆變成交流輸出,經(jīng)負(fù)載(L1,C4或C5)形成閉合回路,得到交流電流。
該交流電流直接穿過各個分支回路的磁芯,在二次回路中產(chǎn)生交變的磁場,交變磁場在二次線圈中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電動勢,經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓之后產(chǎn)生能供其他設(shè)備使用的輔助電源。
主回路與各個分支回路之間僅通過磁環(huán)內(nèi)的交變磁場進(jìn)行能量傳遞,就相當(dāng)于一個有著多個副邊繞組的變壓器,一次繞組為穿過磁環(huán)的輸出線纜,二次繞組為各個分支回路磁環(huán)上的二次線圈。
一次繞組與二次繞組沒有直接電氣連接,僅在磁環(huán)處相距較近,只要交流線圈(即主回路逆變部分的輸出線纜)額定電壓足夠高,便可實現(xiàn)主回路與分支回路之間、各分支回路之間高隔離電壓的要求,比如,主回路逆變輸出采用額定電壓為10kV,2.5mm2的硅橡膠電纜,便可滿足10kV單元串聯(lián)式高壓變頻器的使用需要。
采用此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢有:
  • 1)安裝靈活:主回路交流線圈只穿磁環(huán)一次,各個磁環(huán)可以方便的移動到需要安裝的位置。
  • 2)高隔離性能:一次側(cè)和二次側(cè)的電能通過交流線圈和磁環(huán)的電磁感應(yīng)流通,只要交流線圈的耐壓等級足夠,各個二次側(cè)的磁環(huán)電氣間隙足夠,就可以滿足現(xiàn)場高壓隔離的需求。
  • 3)主回路采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以消除大部分IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷時產(chǎn)生的諧波。其主回路交流線圈中的電流近似于正弦交流電流。
  • 4)通過調(diào)整磁環(huán)二次側(cè)的繞線匝數(shù)可以方便的調(diào)整輸出輔助電源的電壓等級。
  • 5)成本低。
  • 1.2控制和檢測部分
    控制和檢測部分如圖2所示,由電流檢測電路、溫度檢測電路、單片機(jī)[2]電路、IGBT驅(qū)動保護(hù)電路等組成。
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