(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN201510101574.2 (22)申请日 2015.03.06
(71)申请人 国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司;科大智能科技股份有限公司 地址 830000 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市新市区北京南路1号 (72)发明人 李永东 田永明 贾秉健 朱毅然 杨锐俊 田定胜 杨安葆 (74)专利代理机构 上海申新律师事务所 代理人 朱俊跃 (51)Int.CI
(10)申请公布号 CN 104734371 A (43)申请公布日 2015.06.24
权利要求说明书 说明书 幅图
(54)发明名称
一种电容式谐振取电电路
(57)摘要
本发明公开了一种电容式谐振取电
电路，用以从高压电源上获取低压电能，电容式谐振取电电路的变压器的原边的一端连接高压电源；第一开关的电流输入端连接变压器的原边的另一端；第二开关的电流输入端同时连接变压器的原边的另一端和第一开关的电流输入端；储能单元的电流输入端连接第二开关的电流输出端，
储能单元的电流输出端连接第一开关的电流输出端且接地，储能单元用以存储高压电源上的电压；变压器的副边为磁自饱和控制器供电，磁自饱和控制器包括两个控制端，磁自饱和控制器的第一控制端连接第一开关的控制端，用以控制第一开关的导通或关断；磁自饱和控制器的第二控制端连接第二开关的控制端，用以控制第二开关的导通或关断。 法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
权 利 要 求 说 明 书
1.一种电容式谐振取电电路，用以从高压电源上获取低压电能，其特征
一变压器，所述变压器的原边的一端连接所述高压电源；
一第一开关，所述第一开关的电流输入端连接所述变压器的原边的另一
一第二开关，所述第二开关的电流输入端同时连接所述变压器的原边的
一储能单元，所述储能单元的电流输入端连接所述第二开关的电流输出
一磁自饱和控制器，所述变压器的副边为所述磁自饱和控制器供电，所
另一端和所述第一开关的电流输入端；
端；
在于，包括：
端，所述储能单元的电流输出端连接所述第一开关的电流输出端且接地，所
述储能单元用以存储所述高压电源上的电压；
述磁自饱和控制器包括两个控制端，所述磁自饱和控制器的第一控制端连接
所述第一开关的控制端，用以控制所述第一开关的导通或关断；
和控制器的第二控制端连接所述第二开关的控制端，用
的导通或关断。
所述磁自饱
以控制所述第二开关
2.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述磁自饱和
所述磁自饱和控制器的第一采集端连接所述第一开关的电流输出端，用
控制器还包括一监测端和两个采集端；
以采集所述第一开关的输出电流，获取第一采集信号；
所述磁自饱和控制器的第二采集端连接所述第二开关的电流输出端，用
所述磁自饱和控制器的监测端连接所述储能单元的电流输入端，用以监
所述磁自饱和控制器根据所述第一采集信号、所述第二采集信号和所述
测所述储能单元的输入电压，获取监测信号；
以采集所述第二开关的输出电流，获取第二采集信号；
监测信号控制所述第一开关的导通或关断，以及
所述第二开关的导通或关断。
3.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述储能单元
4.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述第一开关
采用一电解电容，所述电解电容的正极形成所述储能单元的电流输入端，所
述电解电容的负极形成所述储能单元的电流输出端。
采用三极管，所述三极管的基极形成所述第一开关的控制端，所述三极管的
集电极形成所述第一开关的电流输入端，所述三极管的发射极
开关的电流输出端。
形成所述第一
5.如权利要求4所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述三极管采
用NPN型三极管。
6.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述第二开关
采用三极管，所述三极管的基极形成所述第二开关的控制端，所述三极管的
集电极形成所述第二开关的电流输入端，所述三极管的发射极
开关的电流输出端。
形成所述第二
7.如权利要求6所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述三极管采
8.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述变压器的
9.如权利要求1所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述变压器釆
所述变压器的导线为0.2毫米的三层绝缘线，所述导线外侧设置有0.2
所述变压器的原边绕线为200匝，所述变压器的副边绕线为1匝；和/
或
毫米的铁氟龙套管；和/或
用10槽骨架；和/或
原边绕线匝数与副边绕线匝数的比例为200:1。
用NPN型三极管。
所述变压器的铁芯釆用EER铁氧体，所述EER铁氧体为PC40软磁铁氧
10.如权利要求9所述电容式谐振取电电路，其特征在于，所述变压器
体磁芯。
采用环氧树脂真空密封。
说 明 书
技术领域
本发明涉及高压取电领域，尤其涉及一种用于在10KV以上的高压线上 背景技术
对于10KV或更高电压(如35KV)线路上，要想获得几瓦～十几瓦的能
量功率，一直是一件很不方便的事。最简单的方式就是采用10KV转几伏或 十几伏的小变压器。但是对于这么高的输入电压，且又这么低的输出电压和
功率，这样的变压器的效率很低；由于输入电压太高，变压器需预留
面积的的安全空间，从而导致这种变压器存在体积利用率很低，问题。
获取几瓦至十几瓦的能量功率的电容式谐振取电电路。
出很大
且成本高的 发明内容
针对现有的高压取电存在的上述问题，现提供一种旨在实现可从高压电
具体技术方案如下：
一种电容式谐振取电电路，用以从高压电源上获取低压电能，包括：
一变压器，所述变压器的原边的一端连接所述高压电源；
一第一开关，所述第一开关的电流输入端连接所述变压器的原边的另一
源上获取几瓦至几十瓦功率电能的体积小，且效率高的电容式谐振取电电路。
端；
一第二开关，所述第二开关的电流输入端同时连接所述变压器的原边的
一储能单元，所述储能单元的电流输入端连接所述第二开关的电流输出
一磁自饱和控制器，所述变压器的副边为所述磁自饱和控制器供电，所
述磁自饱和控制器包括两个控制端，所述磁自饱和控制器的第一控制端连接
所述第一开关的控制端，用以控制所述第一开关的导通或关断；所述
和控制器的第二控制端连接所述第二开关的控制端，用以控制
的导通或关断。
端，所述储能单元的电流输出端连接所述第一开关的电流输出端且接地，所
述储能单元用以存储所述高压电源上的电压；
另一端和所述第一开关的电流输入端；
磁自饱
所述第二开关
优选的，所述磁自饱和控制器还包括一监测端和两个采集端；
所述磁自饱和控制器的第一采集端连接所述第一开关的电流输出端，用
所述磁自饱和控制器的第二采集端连接所述第二开关的电流输出端，用
所述磁自饱和控制器的监测端连接所述储能单元的电流输入端，用以监
所述磁自饱和控制器根据所述第一采集信号、所述第二采集信号和所述
监测信号控制所述第一开关的导通或关断，以及所述第二开关的导通或关断。
测所述储能单元的输入电压，获取监测信号；
以采集所述第二开关的输出电流，获取第二采集信号；
以采集所述第一开关的输出电流，获取第一采集信号；
优选的，所述储能单元采用一电解电容，所述电解电容的正极形成所述
优选的，所述第一开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第一开
优选的，所述三极管采用NPN型三极管。
优选的，所述第二开关采用三极管，所述三极管的基极形成所述第二开
优选的，所述三极管采用NPN型三极管。
优选的，所述变压器的原边绕线匝数与副边绕线匝数的比例为200:1。
优选的，所述变压器釆用10槽骨架；和/或
所述变压器的导线为0.2毫米的三层绝缘线，所述导线外侧设置有0.2
所述变压器的原边绕线为200匝，所述变压器的副边绕线为1匝；和/
所述变压器的铁芯釆用EER铁氧体，所述EER铁氧体为PC40软磁铁氧
体磁芯。
或
毫米的铁氟龙套管；和/或
关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第二开关的电流输入端，所述三
极管的发射极形成所述第二开关的电流输出端。
关的控制端，所述三极管的集电极形成所述第一开关的电流输入端，所述三
极管的发射极形成所述第一开关的电流输出端。
储能单元的电流输入端，所述电解电容的负极形成所述储能单元的电流输出
端。
优选的，所述变压器采用环氧树脂真空密封。
上述技术方案的有益效果：
在本技术方案中，通过磁自饱和控制器控制两个开关的导通或关断，从 附图说明
图1为本发明所述电容式谐振取电电路的一实施例的电路图；
图2为本发明所述磁自饱和控制器的磁芯的磁滞特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行
而实现将高压转低压的开关变换，同时将高压能量传到低压的储能单元中，
该取电电路具有体积小，工作效率高，且成本低的优点。
清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发
不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本
出创造性劳动的前提下所获得的所有其他
明一部分实施例，而
领域普通技术人员在没有作
实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特
电容取电是利用载波得到高压线上的电能的耦合电容(一般为几nF到 理论上可以获得部分能量。单次最大储能可达2J。如果将电容的能量
完全转至负载可达百瓦级功率。
10nF),
征可以相互组合。
采用电容耦合与磁自饱和控制器组成的电路取电可以大幅缩小电容的体
积，以及变压器的体积，降低该变压器的设计难度，从而节约成本。从电容
储能角度看，如选用30KV,10nF的陶瓷电容，单次最多可从10KVac
取能量Es＝2.0J(焦耳)。通过此电容最大电流I＝31.4mArms,
V＝10000Vrms。因此,通过这种高压电容可能获得的功
率因素，η＝cos∠(v,I))。最大的获取功率P＝
实际上通过电容获得的电压
过10nF的电容是不
可以获得较好
抗，也谐振取
线路获
获取的最大电压
率P＝V*I*η(η表示功
0.0314*10000*1＝314W。而
V<<10000,而功率因素也不可能达到1，因此通
可能获得314W功率的。若通过适当的主动功率因数校正， 的功率因数。如果采用高频开关可折换取得很高的等效接入阻
就可以获取较大的输入电压V，从而获取几瓦至几十瓦功率。电容式 电电路通过提高功率因数和分取较大的输入电压，以实现获取几瓦至
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的
如图1所示，一种电容式谐振取电电路，用以从高压电源HV上获取低
一变压器T1，变压器T1的原边的一端连接高压电源HV；
一第一开关K1，第一开关K1的电流输入端连接变压器T1的原边的另
一第二开关K2，第二开关K2的电流输入端同时连接变压器T1的原边
的另一端和第一开关K1的电流输入端；
一端；
压电能，包括：
限定。
几十瓦功率的电能。
一储能单元，储能单元的电流输入端连接第二开关K2的电流输出端，
一磁自饱和控制器，变压器T1的副边为磁自饱和控制器供电，磁自饱
电容式谐振取电电路的核心部分是采用磁自饱和控制器为主要控制器件 是
来控制第一开关K1和第二开关K2组成的开关转换电路。磁自饱和控制器
由高磁导率的矩形系数很好的纳米非晶磁芯的磁滞特性制作的振荡控件。磁自饱和控制器的磁芯的磁滞特性曲线如图2所示。
和控制器包括两个控制端，磁自饱和控制器的第一控制端连接第一开关K1 的控制端，用以控制第一开关K1的导通或关断；磁自饱和控制器的第二控 制端连接第二开关K2的控制端，用以控制第二开关K2的导通或关断。
储能单元的电流输出端连接第一开关K1的电流输出端且接地，储能单元用 以存储高压电源HV上的电压；
制器
从图2中可以看出：当磁场强度H从负值一直增加Hc(0≤Hc)这一过程 磁
中，磁场感应强度B基本保持不变为-Bm，而当磁场强度增大到大于Hc时, 磁芯内的磁场感应强度迅速翻转变为Bm,而随着磁场强度的继续增加，磁芯 内磁场感应强度基本保持不变，仍为Bm。在实现磁场翻转后，不论磁场强 度是增大还减小，磁芯内磁场感应强度均能保持在Bm基本不变。如果磁场 强度减小，磁芯内磁场感应强度B依然保持不变，甚至磁场强度变为反向
场，也能保持磁芯内磁场感应强度为Bm,直到反向磁场强度的值大于
芯内的磁场感应强度才又从Bm翻转到-
内磁场感应强度保持为-Bm不变。
是增大还减小，磁芯内磁场性具有很好的状态稳定，抗
Hc,磁
Bm，继续增加反向磁场强度，磁芯
同样，在实现磁场翻转后，不论磁场强度
感应强度均能保持在-Bm基本不变。这种磁滞特 干扰能力极强。
在本实施例中，通过磁自饱和控制器的磁滞特性控制两个开关的导通或
在优选的实施例中，磁自饱和控制器还包括一监测端和两个采集端；
磁自饱和控制器的第一采集端连接第一开关K1的电流输出端，用以采
磁自饱和控制器的第二采集端连接第二开关K2的电流输出端，用以采
磁自饱和控制器的监测端连接储能单元的电流输入端，用以监测储能单
磁自饱和控制器根据第一采集信号、第二采集信号和监测信号控制第一
如图1所示，磁自饱和控制器的工作原理为：当高压电源HV一旦接入， 器
第一开关K1立即打开，变压器T1的反馈提供能量形成正反馈，致使变压
T1原边电流随时间近似线性增加。这一过程第一开关K1上的压降很
近似认为为零。当变压器T1的原边电流接近额定的峰值电流
控制器逐步打开第二开关K2，并逐步关闭第一开关K1，原边电流达到峰值电流Ipk时，第一开关K1完全关断，通，这一过程属于软开软关(这一缓变过程很短暂，小
第二开关K2导通后，变压器T1的原边低压端
开关K1的导通或关断，以及第二开关K2的导通或关断。
元的输入电压，获取监测信号；
集第二开关K2的输出电流，获取第二采集信号；
集第一开关K1的输出电流，获取第一采集信号；
关断，从而实现将高压转低压的开关变换，同时将高压能量传到低压的储能
单元中，该取电电路具有体积小，工作效率高，且成本低的优点。
低，可
Ipk时磁自饱和 直到变压器T1的
第二开关K2完全导 于震荡周期的1/20)。
的电压完全被储能单元钳位， 储能单元上的电压缓慢逐步上升，变压器
当电流
T1的原边的储能电流也逐步减小，
接近0时，第一开关K1逐步导通，第二开关K2逐步关断，直到原边 软
的电流为0时，第一开关K1完全导通，第二开关K2完全管关断，也是一
开软关过程(这一缓变过程很短暂，小于震荡周期的1/20)。如此往复
关，将高压能量传到低压储能单元上去，两个开关第一开关
K2均不承受高电压和较大的电流，实现将高压转低压
实现开
K1和第二开关 的开关变换。
在本实施例中采用磁自饱和控制器控制两个开关的导通和断开，可以保
在优选的实施例中，储能单元采用一电解电容C1，电解电容C1的正极
在本实施例中通过控制第一开关K1和第二开关K2的导通或断开，可将
在优选的实施例中，第一开关K1采用三极管，三极管的基极形成第一 管
在优选的实施例中，三极管采用NPN型三极管。
在优选的实施例中，第二开关K2采用三极管，三极管的基极形成第二 管
开关K2的控制端，三极管的集电极形成第二开关K2的电流输入端，三极
的发射极形成第二开关K2的电流输出端。
开关K1的控制端，三极管的集电极形成第一开关K1的电流输入端，三极
的发射极形成第一开关K1的电流输出端。
高压电能传递至低压的电解电容C1上去，从而获取低压电能。
形成储能单元的电流输入端，电解电容C1的负极形成储能单元的电流输出 端。
护第一开关K1和第二开关K2免受高压的冲击。
在优选的实施例中，三极管采用NPN型三极管。
在优选的实施例中，变压器T1的原边绕线匝数与副边绕线匝数的比例
在优选的实施例中，将10KV高压电源HV转换为低压电能时，变压器
T1可釆用10槽骨架；变压器的导线可采用0.2毫米的三层绝缘线 (AWG32,TEX-B)，导线外侧可设置有0.2毫米的铁氟龙套管；变压器的原
边绕线为200匝，副边绕线为1匝；变压器的铁
铁氧体为PC40软磁铁氧体磁芯，变压效
为200:1。
芯可釆用EER铁氧体，EER 果最优。
进一步地，变压器T1可采用环氧树脂真空密封。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及
保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书
及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应
在本发明的保护范围内。
当包含
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