CN107612366B - 一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，包括：输入插头P1，三相EMI滤波器F1，三相空气开关K1，缺相检测板B1，三相整流板B2，直流母线处理板B3，移相全桥板B4，该电源的碳化硅器件开关频率高，开关损耗小，导通电阻R较小，导通损耗也较小，系统效率也大大提高。通过利用碳化硅器件实现电源功率密度大大提高，同时，该直流电源输出电流采样电路中将采样电流霍尔传感器放置在四个直流滤波电容的中间，这样可以大大降低电流采样的干扰量，提高电流控制精度。另外，该电路在多模块并联应用中，为防止某个模块损坏导致其他模块向该模块灌输大电流情况的发生，因此在输出侧串入了熔断器。

Description

一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源

技术领域

本发明涉及电源电路技术领域，具体为一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源。

背景技术

在海运过程中，船舶压载水和沉积物的无节制排放导致有害水生物在不同海域之间的转移，造成海洋污染。《国际船舶压载水和外来生物控制和管理公约》(简称《压载水公约》)是国际海事组织(IMO)为保护海洋环境采取的一项措施。压载水处理是指船内压载水在排放到另一水域前须对其压载仓中的水生物进行消灭处理，达到一定的指标之后才能在接收港水域进行排放，使其不会对接收港水域造成影响。该公约已于2017年9月8日正式生效，意味着全球约八万艘船舶将强制安装压载水处理设备。电解方法是压载水处理过程中的重要方法，通过对压载仓内压载水进行电解处理，杀灭水中有害水生物，使其中有害水生物含量降到安全范围内。因此，大功率电解电源是压载水处理系统中的关键组成部分。

针对目前船用电解电源中采用传统硅(Si)器件实现，包括硅器件IGBT和硅器件二极管，由于硅器件开关速度慢、开关损耗大，因此直接导致开关频率较低。这样，为了达到相应的控制性能以及电压电流输出效果，较低的开关频率就需要较大的滤波电容以及滤波电感和隔离变压器等磁性器件，这就导致了电源整体体积和重量大、功率密度低、系统效率低及操作不便的缺点。另外，由于根据船舶大小不同，需要不同数量的该电源模块并联实现来满足压载水处理要求，这样就更大大增加了压载水处理设备的体积与重量。尤其是在船舶上应用时，由于船舶对该电源系统体积和重量的限制以及安装操作维护方便性的要求，目前已有的基于Si器件的压载水处理电解电源已经无法满足市场需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，解决了背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，包括：输入插头P1，三相EMI滤波器F1，三相空气开关K1，缺相检测板B1，三相整流板B2，直流母线处理板B3，移相全桥板B4，高频隔离变压器T1，同步整流板B5，输出滤波电感L1，直流输出处理板B6，输出插头P2，数字控制板B7，数码显示板B8，通信接口CI，辅助电源板B9，风扇供电板B10，散热风扇FAN1，散热风扇FAN2，散热风扇FAN3，散热风扇FAN4，机壳JK1和散热器S1，其特征在于：所述输入插头P1和输出插头P2分别位于机壳JK1的最后侧的机壳壁两端，所述通信接口CI位于机壳JK1的最后侧的机壳壁左端、输出插头P2的右侧，所述散热风扇FAN3和散热风扇FAN3位于机壳JK1的最后侧的机壳壁中间部分，所述散热器S1位于机壳JK1内部中间部分、散热风扇FAN3和散热风扇FAN3的前侧，所述同步整流板B5位于散热器S1正上端左后侧，所述控制板B7位于散热器S1正上端右后侧、同步整流板B5的右侧，所述移相全桥板B4位于散热器S1正上端中间部分、同步整流板B5和控制板B7的正前端，所述三相整流板B2位于散热器S1正上端前侧、移相全桥板B4的正前端，所述三相EMI滤波器F1位于机壳JK1的右侧机壳壁后侧，所述风扇供电板B10位于机壳JK1内右后侧、三相EMI滤波器F1的左侧、散热器S1的右侧，所述辅助电源板B9位于机壳JK1内右侧中间部分、三相EMI滤波器F1和风扇供电板B10的前端，所述直流母线处理板B3位于机壳JK1内右侧中间部分、辅助电源板B9的前端，所述缺相检测板B1位于机壳JK1内右侧前端、直流母线处理板B3的前端，所述直流输出处理板B6位于机壳JK1内左后侧、散热器S1的左侧，所述输出滤波电感L1位于机壳JK1内左侧中间部分、直流输出处理板B6的前端，所述高频隔离变压器T1位于机壳JK1内左侧前端、输出滤波电感L1的正前端，所述数码显示板B8位于机壳JK1的最前端的机壳壁左侧，所述散热风扇FAN1和散热风扇FAN2位于机壳JK1的最前端的机壳壁中间部分，所述三相空气开关K1位于机壳JK1的最前端的机壳壁右侧、散热风扇FAN2的右侧。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

在此采用第三代宽禁带半导体碳化硅(SiC)器件来实现，碳化硅器件开关频率高、开关损耗小、导通电阻R较小、导通损耗也较小，系统效率也大大提高。通过利用碳化硅器件实现，该基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源功率密度大大提高。同时，该直流电源输出电流采样电路中将采样电流霍尔传感器放置在四个直流滤波电容的中间，这样可以大大降低电流采样的干扰量，提高电流控制精度。另外，该电路在多模块并联应用中，为防止某个模块损坏导致其他模块向该模块灌输大电流情况的发生，因此在输出侧串入了熔断器。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源的电路原理图；

图2为本发明一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源的整体布局结构图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，包括：输入插头P1 19，三相EMI滤波器F1 17，三相空气开关K1 10，缺相检测板B1 11，三相整流板B2 12，直流母线处理板B3 13，移相全桥板B4 14，高频隔离变压器T1 6，同步整流板B5 3，输出滤波电感L1 5，直流输出处理板B6 4，输出插头P2 23，数字控制板B716，数码显示板B8 7，通信接口CI 22，辅助电源板B9 15，风扇供电板B10 18，散热风扇FAN1 8，散热风扇FAN2 9，散热风扇FAN3 20，散热风扇FAN4 21，机壳JK1 1和散热器S1 2，其特征在于：所述输入插头P1 19和输出插头P2 23分别位于机壳JK1 1的最后侧的机壳壁两端，所述通信接口CI 22位于机壳JK1 1的最后侧的机壳壁左端、输出插头P2 23的右侧，所述散热风扇FAN3 20和散热风扇FAN3 21位于机壳JK1 1的最后侧的机壳壁中间部分，所述散热器S1 2位于机壳JK1 1内部中间部分、散热风扇FAN3 20和散热风扇FAN3 21的前侧，所述同步整流板B5 3位于散热器S1 2正上端左后侧，所述控制板B7 16位于散热器S1 2正上端右后侧、同步整流板B5 3的右侧，所述移相全桥板B4 14位于散热器S1 2正上端中间部分、同步整流板B5 3和控制板B7 16的正前端，所述三相整流板B2 12位于散热器S1 2正上端前侧、移相全桥板B4 14的正前端，所述三相EMI滤波器F117位于机壳JK1 1的右侧机壳壁后侧，所述风扇供电板B1018位于机壳JK1 1内右后侧、三相EMI滤波器F1 17的左侧、散热器S1 2 的右侧，所述辅助电源板B9 15位于机壳JK1 1内右侧中间部分、三相EMI滤波器F1 17和风扇供电板B1018的前端，所述直流母线处理板B3 13位于机壳JK1 1内右侧中间部分、辅助电源板B9 15的前端，所述缺相检测板B1 11位于机壳JK1 1内右侧前端、直流母线处理板B3 13的前端，所述直流输出处理板B6 4位于机壳JK1 1内左后侧、散热器S1 2的左侧，所述输出滤波电感L1 5位于机壳JK1 1内左侧中间部分、直流输出处理板B6 4的前端，所述高频隔离变压器T1 6位于机壳JK1 1内左侧前端、输出滤波电感L1 5的正前端，所述数码显示板B8 7位于机壳JK1 1的最前端的机壳壁左侧，所述散热风扇FAN1 8和散热风扇FAN2 9位于机壳 JK1 1的最前端的机壳壁中间部分，所述三相空气开关K1 10位于机壳JK1 1的最前端的机壳壁右侧、散热风扇FAN2 9的右侧。

一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，其连接方式如下：电源三相输入端A、B、C经输入插头P1后接三相EMI滤波器F1，然后再接三相空气开关K1，三相EMI滤波器F1的接地端接至机壳JK1，三相空气开关K1的三相输出端Ka、Kb、Kc接至缺相检测电路，同时三相空气开关K1的三相输出端中的Ka接至基于SiCMosfet的桥臂1的M12端口，三相空气开关K1的三相输出端中的Kb接至基于SiCMosfet的桥臂2的M22端口，三相空气开关K1的三相输出端中的Kc接至基于SiCMosfet的桥臂3的M32端口。基于SiC Mosfet的桥臂1的M11端口、基于SiC Mosfet的桥臂2的M21端口和基于SiC Mosfet的桥臂3的M31端口并接在一起接至直流正极端，即DC+端，同时基于SiC Mosfet的桥臂1的M13端口、基于SiC Mosfet的桥臂2的M23端口和基于SiCMosfet的桥臂3的M33端口并接在一起接至直流负极端，即DC-端。基于SiC Mosfet的桥臂1内的高频滤波电容C1、基于SiC Mosfet的桥臂2内的高频滤波电容C2和基于SiC Mosfet的桥臂3内的高频滤波电容C3的两端均分别接在DC+端和DC-端。DC+端接软起继电器KM1的一端，同时接软起电阻Rk的一端。软起继电器KM1的另一端和软起电阻Rk的另一端并联接在一起且接至直流滤波电容C4的一端。采样电阻R1的一端，同时接到直流母线正极端，即DCbus+端，采样电阻R1的另一端接至采样电阻R2的一端，直流滤波电容C4的另一端和采样电阻R2的另一端接在一起，接至直流滤波电容C5的一端和采样电阻R3的一端，并接至参考地GND端，采样电阻R3的另一端接至采样电阻R4的一端，直流滤波电容C5的另一端和采样电阻R4的另一端接在一起，并接至直流母线负极端，即DCbus-端。同时DCbus-端与DC-端为同一电位点。基于SiC Mosfet的桥臂4的M41端和基于SiC Mosfet的桥臂5的M51端同时接至DCbus+端，基于SiC Mosfet的桥臂4的M43端和基于SiC Mosfet的桥臂5的M53端同时接至DCbus-端。基于SiC Mosfet的桥臂4内的高频滤波电容C6和基于SiC Mosfet的桥臂5内的高频滤波电容C7的两端均分别接在DCbus+端和DCbus-端，基于SiC Mosfet的桥臂4的M42端接谐振电感Lr的一端，谐振电感Lr的另一端接高频隔离变压器T1的b端，基于SiC Mosfet的桥臂5的M52端接隔直电容Cr的一端，隔直电容Cr的另一端接高频隔离变压器T1的a端，高频隔离变压器T1的c端接同步整流Mosfet管Sr1的一端、同步整流Mosfet管Sr2的一端以及RC吸收电路中吸收电阻Rs1的一端，吸收电阻Rs1的另一端接RC吸收电路中电容Cs1的一端，高频隔离变压器T1的e端接同步整流Mosfet管Sr3的一端、同步整流Mosfet管Sr4的一端以及RC吸收电路中吸收电阻Rs2的一端，吸收电阻Rs2的另一端接RC吸收电路中电容Cs2的一端。电容Cs1的另一端、同步整流Mosfet管Sr1的另一端、同步整流Mosfet管Sr2的另一端、同步整流Mosfet管Sr3的另一端、同步整流Mosfet管Sr4的另一端以及电容Cs2的另一端接在一起，并同时接至Vo-端。高频隔离变压器T1的d端接至输出滤波电感L1的一端，输出滤波电感L1的另一端接输出滤波电容C8的一端、输出滤波电容C9的一端以及电流霍尔传感器H1的一端，电流霍尔传感器H1的另一端接输出滤波电容C10的一端、输出滤波电容C11的一端、压敏电阻RV4的一端、对地电容C13的一端、限流电阻Rx的一端以及熔断器FU1的一端。限流电阻Rx的另一端接电压霍尔传感器H2的一端。输出滤波电容C8的另一端、输出滤波电容C9的另一端、输出滤波电容C10的另一端、输出滤波电容C11的另一端、压敏电阻RV4的另一端、对地电容C12的一端、电压霍尔传感器的另一端接在一起，并同时接至Vo-端。对地电容C12的另一端和对地电容C13的另一端接在一起，并同时接至机壳JK1。熔断器FU1的另一端接至Vo+端。Vo+端和Vo-端经输出插头P2分别接至输出端口OUT+和输出端口OUT-。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种基于碳化硅的大功率低压大电流输出直流电源，包括：输入插头P1(19)，三相EMI滤波器F1(17)，三相空气开关K1(10)，缺相检测板B1(11)，三相整流板B2(12)，直流母线处理板B3(13)，移相全桥板B4(14)，高频隔离变压器T1(6)，同步整流板B5(3)，输出滤波电感L1(5)，直流输出处理板B6(4)，输出插头P2(23)，数字控制板B7(16)，数码显示板B8(7)，通信接口CI(22)，辅助电源板B9(15)，风扇供电板B10(18)，散热风扇FAN1(8)，散热风扇FAN2(9)，散热风扇FAN3(20)，散热风扇FAN4(21)，机壳JK1(1)和散热器S1(2)，其特征在于：所述输入插头P1(19)和输出插头P2(23)分别位于机壳JK1(1)的最后侧的机壳壁两端，所述通信接口CI(22)位于机壳JK1(1)的最后侧的机壳壁左端、输出插头P2(23)的右侧，所述散热风扇FAN3(20)和散热风扇FAN4(21)位于机壳JK1(1)的最后侧的机壳壁中间部分，所述散热器S1(2)位于机壳JK1(1)内部中间部分、散热风扇FAN3(20)和散热风扇FAN4(21)的前侧，所述同步整流板B5(3)位于散热器S1(2)正上端左后侧，所述控制板B7(16)位于散热器S1(2)正上端右后侧、同步整流板B5(3)的右侧，所述移相全桥板B4(14)位于散热器S1(2)正上端中间部分、同步整流板B5(3)和控制板B7(16)的正前端，所述三相整流板B2(12)位于散热器S1(2)正上端前侧、移相全桥板B4(14)的正前端，所述三相EMI滤波器F1(17)位于机壳JK1(1)的右侧机壳壁后侧且其接地端接至机壳JK1(1)，所述风扇供电板B10(18)位于机壳JK1(1)内右后侧、三相EMI滤波器F1(17)的左侧、散热器S1(2)的右侧，所述辅助电源板B9(15)位于机壳JK1(1)内右侧中间部分、三相EMI滤波器F1(17)和风扇供电板B10(18)的前端，所述直流母线处理板B3(13)位于机壳JK1(1)内右侧中间部分、辅助电源板B9(15)的前端，所述缺相检测板B1(11)位于机壳 JK1(1)内右侧前端、直流母线处理板B3(13)的前端，所述直流输出处理板B6(4)位于机壳JK1(1)内左后侧、散热器S1(2)的左侧，所述输出滤波电感L1(5)位于机壳JK1(1)内左侧中间部分、直流输出处理板B6(4)的前端，所述高频隔离变压器T1(6)位于机壳JK1(1)内左侧前端、输出滤波电感L1(5)的正前端，所述数码显示板B8(7)位于机壳JK1(1)的最前端的机壳壁左侧，所述散热风扇FAN1(8)和散热风扇FAN2(9)位于机壳JK1(1)的最前端的机壳壁中间部分，所述三相空气开关K1(10)位于机壳JK1(1)的最前端的机壳壁右侧、散热风扇FAN2(9)的右侧。

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