模塊化結(jié)構(gòu)的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種模塊化結(jié)構(gòu)的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源的實(shí)現(xiàn)方法，該電源主要 應(yīng)用于需要高壓直流驅(qū)動(dòng)的大功率工業(yè)磁控管等相關(guān)設(shè)備中，尤其是需要供給高壓大電 流，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的微波加熱及燒結(jié)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 在陶瓷燒結(jié)、化工萃取、航天航空等工業(yè)應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)大功率磁控管陽(yáng)極工作的直 流電源需要有較高的輸出電壓和較大的輸出功率。傳統(tǒng)方法多采用工頻變壓器產(chǎn)生高壓輸 出，運(yùn)種電源結(jié)構(gòu)不僅體積龐大、制造困難、成本較高，而且損耗比較嚴(yán)重、降低了電源工作 效率。直流開(kāi)關(guān)電源由于能夠極大減少電源的體積，顯著提高工作效率，且其數(shù)字化的可調(diào) 控性能更好，目前已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于器件所受耐受電壓、耐受電流和高頻 變壓器絕緣及散熱性能的限制，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的單個(gè)開(kāi)關(guān)直流電源無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的IOkV電壓W 上、且功率IOkWW上的輸出等級(jí)。若簡(jiǎn)單地將多個(gè)開(kāi)關(guān)電源串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)，則需要分別對(duì) 每個(gè)電源進(jìn)行獨(dú)立控制且還需整體的同步控制，運(yùn)不僅增加了系統(tǒng)控制端的實(shí)現(xiàn)難度，增 加了硬件開(kāi)銷(xiāo)及成本，而且還存在難于實(shí)現(xiàn)精確同步控制、易于產(chǎn)生諧振及分流等問(wèn)題。
[0003] 針對(duì)上述情況，本發(fā)明提出了一種模塊化結(jié)構(gòu)的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源的實(shí)現(xiàn) 方法。通過(guò)采用W單輸出模塊閉環(huán)為基準(zhǔn)、多輸出模塊跟隨的控制結(jié)構(gòu)，并結(jié)合由多個(gè)輸出 模塊構(gòu)成的串聯(lián)、并聯(lián)或多組串并聯(lián)組合的輸出陣列結(jié)構(gòu)，能夠較好解決傳統(tǒng)方案中控制 方式復(fù)雜、開(kāi)關(guān)器件耐壓和過(guò)流要求高、變壓器絕緣及散熱實(shí)現(xiàn)困難、整體系統(tǒng)穩(wěn)定性差等 一系列問(wèn)題，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源能夠?qū)崿F(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)等復(fù)雜、高溫 環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明公開(kāi)了一種模塊化結(jié)構(gòu)的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源的實(shí)現(xiàn)方法，它由輸入 整流濾波模塊、移相全橋調(diào)控模塊、信號(hào)采樣及調(diào)理模塊、輸出模塊陣列W及反饋控制模塊 組成。所述電源的所有輸出模塊均依照2500V/3A進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)完全一 致，并且采用了 W單輸出模塊閉環(huán)為基準(zhǔn)、多輸出模塊跟隨的控制結(jié)構(gòu)，即輸入整流濾波、 移相全橋調(diào)控、信號(hào)采樣及調(diào)理、反饋控制等模塊都只有一個(gè)，而輸出模塊為多個(gè)且形成串 聯(lián)、并聯(lián)或多組串并聯(lián)組合的輸出陣列結(jié)構(gòu)，但輸出信號(hào)僅從一個(gè)作為基準(zhǔn)的輸出模塊采 樣獲得;因而降低了傳感采樣和控制調(diào)節(jié)的復(fù)雜度、W及整流、變壓等硬件的性能要求與實(shí) 現(xiàn)難度。同時(shí)，通過(guò)在各個(gè)散熱敏感區(qū)安裝能閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的分布式獨(dú)立控制節(jié) 點(diǎn)，并將各獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的超溫信號(hào)W線與方式產(chǎn)生整個(gè)電源的溫控?cái)嚯姳Ｗo(hù)信號(hào)， 從而實(shí)現(xiàn)了分布式的局部散熱自動(dòng)調(diào)節(jié)及整體線與結(jié)構(gòu)的限溫保護(hù)功能。
[0005] 為了達(dá)到W上所述目的，本發(fā)明所提出的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源實(shí)現(xiàn)方案的技 術(shù)特征如下：
[0006] 1.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源是由輸入整流濾波模塊、移相全橋 調(diào)控模塊、信號(hào)采樣及調(diào)理模塊、輸出模塊陣列W及反饋控制模塊組成；
[0007] 所述輸入整流濾波模塊由一個(gè)=相或單相整流電路、一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)功率因 數(shù)校正電路組成；
[0008] 所述移相全橋調(diào)控模塊為由全控型開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的移相全橋及其保護(hù)電路，通過(guò)加 在開(kāi)關(guān)管柵極上的PWM信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)超前與滯后臂之間的開(kāi)啟重疊時(shí)間，進(jìn)而控制輸出電壓 的幅值；
[0009] 所述信號(hào)采樣及調(diào)理模塊包括輸入電壓采樣及調(diào)理電路、輸出電流采樣及調(diào)理電 路、輸出電壓采樣及調(diào)理電路、過(guò)電壓采樣及調(diào)理電路、熱敏電阻采樣及調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)了 對(duì)反饋控制模塊所需的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、保護(hù)信號(hào)進(jìn)行采樣及其相應(yīng)調(diào)理；
[0010] 所述輸出模塊陣列是由多個(gè)參數(shù)一致的輸出模塊通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或多組串并聯(lián)組 合后而形成的輸出陣列，且所述單個(gè)輸出模塊是由高頻變壓器、高壓整流濾波電路、RCD吸 收電路W及硬件保護(hù)電路構(gòu)成；
[0011] 所述反饋控制模塊在接收到采樣信號(hào)后，通過(guò)與設(shè)定的電壓、電流、功率值進(jìn)行比 較和運(yùn)算，最終輸出對(duì)應(yīng)的PWM調(diào)控信號(hào)至移相全橋調(diào)控模塊W調(diào)節(jié)電源的輸出值，它主要 包括內(nèi)部控制處理器、按鍵輸入接口、通訊接口、顯示接口。
[0012] 2.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源，所述輸出模塊陣列是依據(jù)負(fù)載需 求的電壓等級(jí)選擇所串聯(lián)的輸出模塊數(shù)量，并依據(jù)負(fù)載需求的電流等級(jí)選擇所并聯(lián)的輸出 模塊組數(shù)，進(jìn)而通過(guò)構(gòu)成串并聯(lián)混合模式的矩陣結(jié)構(gòu)W滿足整體系統(tǒng)的電壓和電流等級(jí)要 求;所述輸出模塊陣列中的全部輸出模塊的電路結(jié)構(gòu)、元件參數(shù)、電氣性能均完全相同，W 保證所有輸出模塊的電氣一致性和對(duì)稱性。
[0013] 3.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源，該電源采用了 W單輸出模塊閉環(huán) 為基準(zhǔn)的、多輸出模塊跟隨輸出的控制結(jié)構(gòu)；即所述輸入整流濾波模塊、移相全橋調(diào)控模 塊、信號(hào)采樣及調(diào)理模塊、反饋控制模塊均只有一個(gè)，而輸出為多個(gè)模塊且形成了串聯(lián)、并 聯(lián)或多組串并聯(lián)組合的輸出陣列結(jié)構(gòu)，輸入電壓采樣信號(hào)從所述輸入整流濾波模塊獲取， 而輸出采樣信號(hào)僅從一個(gè)作為基準(zhǔn)的所述輸出模塊獲取，利用全部輸出模塊的電氣一致性 和對(duì)稱性來(lái)估算出整體系統(tǒng)的采樣信號(hào)，從而降低采樣與控制的實(shí)現(xiàn)難度，減少硬件與成 本開(kāi)銷(xiāo)。
[0014] 4.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源，所述輸入整流濾波模塊使用一個(gè) 全覆蓋封裝的=相或單相全橋整流模塊作為整流部分，其內(nèi)部的每一個(gè)電力二極管都附有 單獨(dú)的RC吸收電路，用來(lái)抑制二極管結(jié)電容在開(kāi)關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，避免二極管因 通過(guò)大電流而被燒毀;經(jīng)整流后的輸入信號(hào)，通過(guò)電抗器來(lái)限制短路電流，抑制高次諧波； W單獨(dú)的阻容網(wǎng)絡(luò)電路板作為濾波網(wǎng)絡(luò)完成濾波，電解電容上儲(chǔ)存的電荷將在斷電后通過(guò) 泄放電阻完成釋放；同時(shí)，并聯(lián)了與所述電源的整體容量相匹配的集成式功率因數(shù)校正電 路，并在濾波網(wǎng)絡(luò)輸出端接入霍爾電壓傳感器，采用大功率電阻來(lái)限制進(jìn)入電壓傳感器的 電流，通過(guò)電位器采集整流濾波后的下級(jí)直流輸入電壓;所述輸入整流濾波模塊的容量應(yīng) 當(dāng)大于所述移相全橋調(diào)控模塊的總輸出功率及其電路損耗之和。
[0015] 5.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源，所述移相全橋調(diào)控模塊是由四個(gè) 全控型開(kāi)關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路組成，對(duì)所述輸入整流濾波模塊輸出的直流脈波進(jìn)行逆 變;其中每?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)管為一組，一組為超前臂，一組為滯后臂，通過(guò)加在柵極上的PWM調(diào)節(jié)信 號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)超前臂與滯后臂之間的開(kāi)啟重疊時(shí)間，進(jìn)而控制輸出電壓的幅值;每個(gè)開(kāi)關(guān)管的 集電極和發(fā)射極之間接有反向錯(cuò)位二極管，W避免承受過(guò)大的反向電壓，同時(shí)接入了由諧 振電容與變壓器原邊漏感組成的諧振電路，W提供零電壓開(kāi)關(guān)的條件，并且還在變壓器原 邊側(cè)串入了隔直電容，W避免變壓器因磁飽和而引起過(guò)熱;所述移相全橋調(diào)控模塊的總輸 出功率應(yīng)當(dāng)大于所述輸出模塊陣列的總輸出功率及其電路損耗之和。
[0016] 6.根據(jù)本發(fā)明所述的大功率高壓開(kāi)關(guān)直流電源，所述輸出模塊均由高頻變壓器、 高壓整流濾波電路、RCD吸收電路W及硬件保護(hù)電路構(gòu)成，且所述輸出模塊都依照2500V/3A 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)、參數(shù)均完全一致;考慮所輸出電壓和電流的等級(jí)，所述高頻變 壓器采用了非晶鐵忍，且原方和副方均為單層纏繞方式，變比為35: 250;所述高壓整流濾波 電路采用了=個(gè)快恢復(fù)二極管串聯(lián)為一組，兩組并聯(lián)為一臂的橋式整流電路，并在每?jī)蓚€(gè) 并聯(lián)的快恢復(fù)二極管兩端加入RC吸收電路W抑制反向恢復(fù)沖擊電流，此外還增加了 RCD吸 收電路W加強(qiáng)反向尖峰電壓吸收效果;經(jīng)整流后的副邊高壓最后經(jīng)過(guò)LC濾波電路完成直流 輸出，并利用共模電感將LC濾波電路分為輸出信號(hào)采樣部分W及負(fù)載部分，既能夠屏蔽外 界注入的共模干擾信號(hào)，又能防止負(fù)載端的擾動(dòng)，確保了輸出穩(wěn)定性和采樣準(zhǔn)確性;基于單 輸出模塊閉環(huán)為基準(zhǔn)的、多輸出模塊跟隨輸出的控制結(jié)構(gòu)，僅對(duì)于一個(gè)作