适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源

技术领域

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源。

背景技术

煤矿井下交流电压等级较多，输入交流电压等级主要为127/220/380/660/1140V，允许电压波动范围下限为电压的75％，上限为电压的110％，在一个矿井的不同配电系统中，可能同时存在多种交流电压等级，造成一台电源无法满足多种规格的配电系统。现阶段，煤矿井下的电源大部分采用的是集成芯片型纯反激技术，输入电压仅仅只能涵盖127/220/380/660V或380/660/1140V的电压规格，无法在一个电源中同时涵盖全部的电压等级，并且反激电源的占空比变换范围较窄，无法兼顾交流电压上下等级，尤其是在127V交流电压等级的带载过程中，由于供电线路较长，存在较高的线损，电源输入端的电压会出现低于127V的75％下限值，造成电源无法运行的情况。

考虑到煤矿行业实际使用工况，单相交流电供电线缆距离较长(大于2公里)，在直流稳压电流进行输出带载时，在长距离供电线缆上形成较大的压降损耗，会使得直流稳压电源输入端交流电压远低于标准所要求的电压，但实际工况中要充分结合煤矿行业的特点与实际使用环境，无法通过缩短供电线缆长度或采用较粗电缆进行远距离供电，这就需要直流稳压电源进一步降低电源的输入电压运行范围和能力。但是由于煤矿井下供电电压等级1140VAC接入直流稳压电源的需求越来越多，需要研发一款可以满足整个电压等级范围的电源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决目前矿用电源无法同时满足多种规格的配电需求的技术问题，本发明提供一种适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源，将不控整流电路、缓启动电路与两级式模组变换器结合到一起，有效拓宽了直流电源的输入范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源，包括：

不控整流电路，以及

缓启动电路，所述缓启动电路的一端与所述不控整流电路的电连接；

直流输出电路，所述直流输出电路与所述缓启动电路的另一端电连接；

其中，所述直流输出电路包括多个两级式模组变换器，所述多个两级式模组变换器的输入端之间依次串联连接，所述多个两级式模组变换器的输出端之间并联连接。

通过采用上述技术方案，可以适用于交流电压75VAC～1400VAC的范围内的任意等级的电压，有效拓展了直流电源的输入范围，满足煤矿井下不同等级的供电电压需求。

在本发明提供的一实施例中，所述缓启动电路包括继电器J1及电阻R1，所述继电器J1与所述电阻R1之间并联连接，所述继电器J1的一端与所述不控整流电路连接，所述继电器J1的另一端与所述直流输出电路连接，所述电阻R1的一端与所述不控整流电路连接，所述电阻R1的另一端与所述直流输出电路连接。

通过采用上述技术方案，可以遏制不控整流电路的冲击电流，减小压降的产生。

在本发明提供的一实施例中，所述两级式模组变换器包括一级变换器和二级变换器，所述一级变换器与所述二级变换器之间电连接，所述一级变换器与所述缓启动电路电连接。

在本发明提供的一实施例中，所述一级变换器包括母线电容分压电路及高压斩波电路，所述二级变换器包括高频谐振隔离电路，所述母线电容分压电路与所述高压斩波电路电连接，所述高压斩波电路与所述高频谐振隔离电路电连接，所述母线电容分压电路与所述缓启动电路电连接。

在本发明提供的一实施例中，所述母线电容分压电路包括三个电容，所述三个电容之间依次串联连接。

在本发明提供的一实施例中，所述高压斩波电路包括高压功率管Q1、续流二级管D1、高频滤波电感L1及储能电容C11，所述高压功率管Q1的集电极与所述母线电容分压电路的正端电连接，所述高压功率管Q1的发射极与所述续流二级管D1的阴极端电连接，所述高压功率管Q1的发射极与所述高频滤波电感L1的一端电连接，所述高频滤波电感L1的另一端与所述储能电容C11的正端电连接，所述储能电容C11的负端与所述母线电容分压电路的负端电连接，所述续流二级管D1的阳极与所述母线电容分压电路的负端电连接。

通过采用上述技术方案，可以把变化范围较宽的母线电容分压电路的电压变换成较稳定的直流电压，从而提高高频谐振隔离电路输入电压的稳定性，减小高频谐振隔离电路功率器件的耐压等级。

在本发明提供的一实施例中，所述高频谐振隔离电路包括功率管Q11、功率管Q12、谐振电容C12、谐振变压器Tx1、三端型肖特基二极管D11及输出滤波电容C13，所述功率管Q11的一端与所述储能电容C11的正端电连接，所述功率管Q11的另一端与所述功率管Q12的一端电连接，所述功率管Q12的另一端与所述储能电容C11的负端电连接，且所述功率管Q11与所述功率管Q12连接的中线端与所述谐振电容C12的一端连接，所述谐振电容C12的另一端与所述谐振变压器Tx1的初级线圈的一端连接，所述谐振变压器Tx1的初级线圈的另一端与所述储能电容C11的负端电连接，所述谐振变压器Tx1的次级线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈的一端与所述三端型肖特基二极管D11的一阳极端电连接，所述第一线圈的另一端与所述第二线圈的一端连接，所述第二线圈的另一端与所述三端型肖特基二极管D11的另一阳极端电连接，所述三端型肖特基二极管D11的共阴极端与所述输出滤波电容C13的正端电连接，所述输出滤波电容C13的负端与所述第一线圈和所述第二线圈连接的中线端电连接。

通过采用上述技术方案，可以利用高频变换器，使得输入输出的电气隔离。

在本发明提供的一实施例中，所述两级式模组变换器的数量为三个，所述三个两级式模组变换器的结构相同。

通过采用上述技术方案，可以保证电源正常运行，也不会造成成本、资源浪费。

在本发明提供的一实施例中，三个所述两级式模组变换器的输出滤波电容之间并联连接至同一负载。

通过采用上述技术方案，可以使电路结构形成完整的电气回路。

本发明的有益效果是：通过将不控整流电路、缓启动电路及多个两级式模组变换器结合起来，有效拓宽了电源的输入范围，可以同时满足矿井下127V/220V/380V/660V/1140V的电压等级需求；不控整流电路可以将输入的交流电转换成直流电，但是会产生瞬间的冲击电流，多个两级式模组变换器可以提高耐压等级，如果直接将不控整流电路与多个两级式模组变换器直接相连，冲击电流会损坏电路；本发明通过将不控整流电路、缓启动电路及多个两级式模组变换器结合起来，不仅可以遏制不控整流电路的冲击电流，而且能够输出稳定的直流电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的两级式模组变换器的结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的两级式模组变换器的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源的电路图。

附图标记：

不控整流电路1；缓启动电路2；直流输出电路3；两级式模组变换器31；一级变换器311；二级变换器312；母线电容分压电路313；高压斩波电路314；高频谐振隔离电路315；第一线圈3151；第二线圈3152。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供的适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源，包括不控整流电路1、缓启动电路2及直流输出电路3，缓启动电路2的一端与不控整流电路1电连接，缓启动电路2的另一端与直流输出电路3电连接。在本实施例中，不控整流电路1是由无控制功能的整流二极管组成的整流电路，当输入交流电压一定时，在负载上得到的直流电压是不能调节的，不控整流电路1可以利用整流二极管的单向导电性把外加交流电压变为直流电压，直流输出电路3的另一端可以连接矿井下的电器。在本实施例中，缓启动电路2包括继电器J1及电阻R1，继电器J1与电阻R1并联连接，继电器J1的一端与不控整流电路1连接，继电器J1的另一端与直流输出电路3连接，电阻R1的一端与不控整流电路1连接，电阻R1的另一端与直流输出电路3连接。缓启动电路2可以遏制不控整流电路1的冲击电流，减小压降的产生。在一些实施例中，继电器J1也可以用SCR功率管替换。在本实施例中，直流输出电路3包括多个两级式模组变换器31，多个两级式模组变换器31之间输入端依次串联连接，输出端并联连接。本发明提供的电源可以适用于交流电压75VAC～1400VAC的范围内的任意等级的电压，可以为井下直流用电设备提供稳定的可靠的直流电压，且有效拓展了直流电源的输入范围，可以满足煤矿井下不同等级的供电电压需求。

请参阅图2至图4，在本实施例中，两级式模组变换器31包括一级变换器311和二级变换器312，一级变换器311与二级变换器312之间电连接，一级变换器311与缓启动电路2电连接。一级变换器311包括母线电容分压电路313及高压斩波电路314，二级变换器312包括高频谐振隔离电路315，其中，母线电容分压电路313与高压斩波电路314电连接，高压斩波电路314与高频谐振隔离电路315电连接，母线电容分压电路313与缓启动电路2电连接。在本实施例中，母线电容分压电路313包括电容C1、电容C2及电容C3，电容C1、电容C2及电容C3之间依次串联连接。高压斩波电路314包括高压功率管Q1、续流二级管D1、高频滤波电感L1及储能电容C11，高压功率管Q1的集电极与母线电容分压电路313的正端电连接，高压功率管Q1的发射极与续流二级管D1的阴极端电连接，高压功率管Q1的发射极与高频滤波电感L1的一端电连接，高频滤波电感L1的另一端与储能电容C11的正端电连接，储能电容C11的负端与母线电容分压电路313的负端电连接，续流二级管D1的阳极与母线电容分压电路313的负端电连接。高频滤波电感L1可以减小储能电容C11的输出纹波，同时在高压功率管Q1关断时起续流的作用。续流二极管D1可以在功率管Q1关断时，让电流有回路进行续流，同时续流二极管D1也可采用绝缘栅双极型晶体管或场效应管进行替换，采用同步整流方式，进一步减少回路损耗。高频谐振隔离电路315包括功率管Q11、功率管Q12、谐振电容C12、谐振变压器Tx1、三端型肖特基二极管D11及输出滤波电容C13，其中，功率管Q11的一端与储能电容C11的正端电连接，功率管Q11的另一端与功率管Q12的一端电连接，功率管Q12的另一端与储能电容C11的负端电连接，且功率管Q11与功率管Q12连接的中线端与谐振电容C12的一端连接，功率管Q11、功率管Q12及谐振电容C12共同组成半桥电路，谐振电容C12的另一端与谐振变压器Tx1的初级线圈的一端连接，谐振变压器Tx1的初级线圈的另一端与储能电容C11的负端电连接，谐振变压器Tx1的次级线圈与三端型肖特基二极管D11、输出滤波电容C13分别连接，具体地，谐振变压器Tx1的次级线圈包括第一线圈3151和第二线圈3152，第一线圈3151的一端与三端型肖特基二极管D11的一阳极端电连接，第一线圈3151的另一端与第二线圈3152的一端连接，第二线圈3152的另一端与三端型肖特基二极管D11的另一阳极端电连接，三端型肖特基二极管D11的共阴极端与输出滤波电容C13的正端电连接，输出滤波电容C13的负端与第一线圈3151和第二线圈3152连接的中线端电连接。在本实施例中，两级式模组变换器31的数量设置为三个，每个两级式模组变换器31的结构相同，三个两级式模组变换器31的输出滤波电容C13、输出滤波电容C23及输出滤波电容C33并联连接至同一负载，以形成完整的电气回路。当然，在其他实施例中，一级变换器311中也可以采用Buck-Boost电路，二级变换器312中也可以采用全桥LLC谐振变换器或者高频移相变换器，此处不做限制，可以根据需求进行设计选择。

请参阅图1至图4，煤矿井下输入交流电压等级主要为127/220/380/660/1140V，由此可知输入电压的下限值约为95V，上限值约为1300V，本发明提供的电源输入端采用不控整流的方式将交流电整流成直流电，通过缓启动电路2遏制不控整流瞬间的冲击电流，以减小电路运行时的线路损耗，再结合两级式模组变换器31，可以有效拓展煤矿用单个电源的输入电压的上下限值，例如，下限值低至75VAC，上限值增加至1400VAC。由于本发明采用了不控整流的方式，为了减小下限电压75VAC输入时母线电容的纹波电流，需要找到合适的母线电容容值，电容的纹波电流是造成损耗、电容发热的重要因素。在整流给母线电容充电的瞬间，母线电容相当于短路，瞬间产生的电流会很大，严重时会烧毁不控整流电路1，而将此电路的电容容值应用于上限电压1400VAC，将会产生更大的冲击电流。本发明为了遏制冲击电流，在不控整流电路1中串联了缓启动电路2，缓启动电路2中的电阻R1使得不控整流瞬间阻值增大，从而减小冲击电流。当母线电容电压上升到一次阈值后，可以导通缓启动电路2中的继电器J1，同时把电阻R1短路，使得电源工作时，不控整流后端的电流都从继电器J1中流过，基本不会产生压降。现有技术中反激芯片所生产的直流电源由于无法自身产生计时和延时控制，一般采用NTC热敏电阻的方式进行不控整流冲击遏制，但热敏电阻无法使得电阻阻值降至零，一般在100℃时，会残留常温下12％左右的电阻值，尤其在输入电压达到下限值时，随着电源输出负载增大，电源的输入电流也将增大，此时在热敏电阻上的压降也将增大，会影响电源内部母线电压，导致无法带载的问题。本发明缓启动电路通过继电器结合限流电阻的方式，电源接入交流电的瞬间，能量通过限流电阻R1进入母线电容，由于此时有电阻R1的存在，极大的遏制了冲击电流，当母线电容达到一定阈值后，数字控制系统可以给出一个高电平使得继电器导通，把限流电阻旁路及电源所需的能量从继电器流过，有效减少了因采用热敏电阻造成的输入压降。

请参阅图1至图4，在本实施例中，母线电容包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8及电容C9，九个电容均为相同的电解电容，每个电容的耐压值为450V，九个电容与缓启动电路2串联连接，则耐压值可达4050V，而交流电1400VAC经不控整流后的输出的母线电压约为1980V，设置九个电容足够满足1400VAC不控整流后形成的母线电压。九个母线电容对母线电压可以进行分压，每三个电容组成一个母线电容分压电路，承受不控整流后总母线电压的三分之一。例如，电容C1～C3形成第一个母线电容分压电路，电容C4～C6形成第二个母线电容分压电路，电容C7～C9形成第三个母线电容分压电路，三个母线电容分压电路均分母线电压。当然，母线电容的总数量不限于此，可以根据实际需要的耐压值进行选择设计，母线电容的耐压值需要能够满足每个母线电容分压电路电压的1.5～2倍，以及需要考虑母线电容分压电路的个数。例如，本发明设计最高的输入电压约为1400VAC，选用了九个母线电容，若输入电压再增高，则需要增加母线电容分压电路的个数，母线电容的数量也相应地增加，若输入电压降低，则需要减少母线电容分压电路的个数，母线电容的数量也相应地减少。本发明结合电容的耐压值及煤矿井下实际使用环境，设置了2倍的电压作为母线电容的耐压值，既能够保证电源正常运行，也不会造成成本、资源浪费。

请参阅图4，在本实施例中，每个两级式模组变换器31包括母线电容分压电路313、高压斩波电路314及高频谐振隔离电路315，由于输入电压适用于75VAC～1400VAC，使得每个母线电容分压电路313的电压变化范围较大，而高压斩波电路314可以把变化范围较宽的母线电容分压电路313的电压变换成较稳定的直流电压，从而提高高频谐振隔离电路315输入电压的稳定性，减小高频谐振隔离电路315功率器件的耐压等级。在本实施例中，高频谐振隔离电路315可以利用高频变换器，使得输入输出的电气隔离，同时，由于输入电压75VAC～1400VAC造成整个系统的增益较宽，为了增加电路系统的可靠性和稳定性，限制高压斩波电路314的占空比，使得高频谐振隔离电路315中输出滤波电容C13上的电压会随着输入电压有一定程度的变换，此时可以通过数字控制系统的程序对高频谐振隔离电路315进行闭环调节，稳定输出电压。在本实施例中，由于整个输入电压在母线电容处被三个两级式模组变换器31均分，输出总功率也被三个两级式模组变换器31均分，因此，把每个两级式模组变换器31的输出滤波电容后端并联连接，形成完整的电气回路。

总言之，本发明提供的适用于矿用多级交流电压输入的直流稳压电源，包括不控整流电路1、缓启动电路2及直流输出电路3，通过不控整流电路1将外加交流电压变为直流电压，通过缓启动电路2遏制不控整流瞬间的冲击电流，减少线路损耗，通过直流输出电路3使得直流电压可以稳定输出。本发明提供的电源可以适用于煤矿井下交流电压75V～1400V的范围内的任意等级的电压，可以为井下直流用电设备提供稳定的可靠的直流电压，且有效拓展了直流电源的输入范围，可以满足煤矿井下不同等级的供电电压需求，同时，电源结构的合理设计还能节约成本，避免资源浪费。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。