CN101951153A - 高压转低压直流变换器 - Google Patents

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杨喜军
张永鑫
田书欣
钟莉娟
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Abstract

一种电力电子技术领域的高压转低压直流变换器，包括：依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、储能电路和波形变换电路，其中：交流斩波电路将输入直流转换成高频脉冲交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至储能电路，储能电路将高频脉冲低压交流电压整流并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路进行输入交流电压及电流波形改善后输出直流电压。

Description

高压转低压直流变换器
技术领域
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种高压转低压直流变换器。
背景技术
传统配电变压器控制功能有限，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制功能，难以对系统稳定性的提高做出贡献。电力电子变压器是一种新型的电能转换设备，它通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递，其突出特点在于通过电压源换流器对其交流侧电压的幅值和相位进行实时控制，实现变压器原、副边电压、电流和功率的灵活调节。经过对电力电子变压器现有技术的检索发现，华中科技大学.“电力电子变压器”.申请号：02139030.4，公开日：2003.03.12；以及WANG JUN等，”智能电网技术”.IEEE Trans.onIndustry Electronics Magzine(工业电子杂志).2009年6月.分别记载了一种高压交流-低压交流的电力电子变换器技术，属于电力电子变换器概念，但是该现有技术不能应用于高压直流-低压直流的电力电子变换器技术。随着电力电子变换技术的发展，高压直流-低压直流的DC-DC变换器的应用开始出现，功率等级趋于增加，例如高压变频传动、海底电缆直流输电等，需要新型的高压转低压直流变换器出现。
电力电子变压器可以满足未来电力系统很多新的要求，例如：实现更高的稳定性、实现更加灵活的输电方式、整合各种交直流分布式电源以及实现电力市场条件下对功率潮流的实时控制等。电力电子变压器集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为一体，具有广阔的应用前景。
经过文献检索和查新，电力电子变压器的概念比较新颖，属于电力电子变换器的前沿，提出的时间虽然不长，但是日益受到关注，经过专家分析和判断，结合智能电网、电力环保、节能降耗等发展主题，电力电子变压器的发展前景非常明显。基于文献检索和查新结果，目前为止，电力电子变压器的发展仍然处于起始阶段，电路拓扑和控制算法仍然处于已有基本变换器拓扑组合和控制算法沿用阶段，表现为拓扑复杂和控制繁琐，功能缺陷，具有成本高、体积大和可靠性低等不足。为此需要提出新的电路拓扑和控制算法，使电力电子变压器具有控制简单和单位输入功率因数等优点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高压转低压直流变换器，通过单相逆变器，将输入直流转换为高频脉冲交流信号，经高频变压器耦合到二次侧，进行降压变换，再经储能电路整流及滤波后，将高频脉冲低压交流电压整流并滤波为低压直流电压，供用户使用。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、储能电路和波形变换电路，其中：交流斩波电路将输入直流转换成高频脉冲交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至储能电路，储能电路将高频脉冲低压交流电压整流并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路进行输入交流电流波形改善后输出直流电压。
所述的交流斩波电路包括：滤波电容和与之级联的单相逆变器，其中：滤波电容并联于交流斩波电路的输入端，单相逆变器的输出端与高频变压器电路相连接。
所述的单相逆变器具体是由四个桥接的逆导型开关组成的单相电压源逆变器。
所述的高频变压器电路为高频变压器，其初级绕组与单相逆变器的输出端相连，次级绕组与储能电路的输入端相连。
所述的储能电路包括：两个高速二极管和两个电解电容，其中：第一高速二极管和第一电解电容正向串联后并联于高频变压器电路的输出端，第二高速二极管和第二电解电容反向相串联后并联于高频变压器电路的输出端，第一电解电容的正极和第二电解电容负极构成储能电路的输出端。
所述的波形变换电路包括：第五逆导型开关、第一电感、第三功率二极管和第二电解电容，其中：第一电感与第三功率二极管相串联，第三电解电容并联于波形变换电路的输出端，第五逆导型开关的两端分别与第三功率二极管和第三电解电容相连接。
本发明用基于SiC IGBT的电力电子变压器实现新型DC-DC配电调压器，采用电力电子变换技术对能量进行转换与控制。具有构思新颖、系统体积小、网侧功率因数改善、环保效果好等优点。
本发明中采用的储能电路的电解电容容量非常低，波形变换电路为升压电路，可以采用单周期控制算法、双闭环控制算法等。二者结合可以使得高频变压器的初级和次级工作在360度开关状态，初级和次级的阻抗呈现电阻，即一步使得交流斩波电路中功率开关工作在180度状态，使得网侧的等效阻抗为电阻。使得整个线路中无功电流成分最小化，改善变换器的变换特性。而且带来结构简单、设计容易、体积减少和可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为单相逆变器I1的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：依次串联的交流斩波电路1、高频变压器电路2、储能电路3和波形变换电路4，其中：交流斩波电路1将输入直流转换成高频脉冲交流电压并输出至高频变压器电路2，高频变压器电路2将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至储能电路3，储能电路3将高频脉冲低压交流电压整流并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路4，波形变换电路4进行输入交流电压及电流波形改善后输出直流电压。
所述的交流斩波电路1包括：滤波电容C1和与之级联的单相逆变器I1，其中：滤波电容C1并联于交流斩波电路1的输入端，单相逆变器I1的输出端与高频变压器电路2相连接。
所述的单相逆变器I1具体是由四个桥接的逆导型开关S1～S4组成的单相电压源逆变器。
所述的高频变压器电路2为高频变压器T1，其初级绕组与单相逆变器I1的输出端相连，次级绕组与储能电路3的输入端相连。
所述的储能电路3包括：两个高速二极管D1、D2和两个电解电容E1、E2，其中：第一高速二极管D1和第一电解电容E1正向串联后并联于高频变压器电路2的输出端，第二高速二极管D2和第二电解电容E2反向相串联后并联于高频变压器电路2的输出端，第一电解电容E1的正极和第二电解电容E2负极构成储能电路3的输出端。
所述的波形变换电路4包括：第五逆导型开关S5、第一电感L1、第三功率二极管D3和第二电解电容E2，其中：第一电感L1与第三功率二极管D3相串联，第三电解电容E3并联于波形变换电路4的输出端，第五逆导型开关S5的两端分别与第三功率二极管D3和第三电解电容E3相连接。
本实施例中所述的单相逆变器I1、高频变压器T1和储能电路3组成了电力电子变压器，其作用是通过提高DC-DC变换器的工作频率，并使线路各点的阻抗呈现阻性，来实现相比常规变压器体积减少、重量变轻的目标，从而大大减少无源器件的尺寸和重量。
本实施例中：单相输入直流电压为400VDC，单相逆变器I1、高频变压器T1和储能电路3将400VDC变换为220VDC，单相逆变器I1为传统的电压源逆变器。
本实施例中将储能电路与波形变换电路的使用，可以带来如下优点：波形变换电路采用单周期控制或双闭环控制，可以获得稳定的输出电压和阻性的输入阻抗。储能电路采用低量的电解电容，得到倍压的正弦半波电压和正弦半波电流。使得高频变压器工作在360度状态，进一步使得交流斩波电路的开关工作在180度状态，使网侧电压与电流之比接近常数。这是其他DC-DC变换器所不能比拟的优点，而且电路结果简单，设计方便，可靠性与效率自然得到提升。

Claims (6)

1.一种高压转低压直流变换器，包括：依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、储能电路和波形变换电路，其中：交流斩波电路将输入直流转换成高频脉冲交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至储能电路，储能电路将高频脉冲低压交流电压整流并滤波为低压直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路进行输入交流电压及电流波形改善后输出直流电压。
2.根据权利要求1所述的高压转低压直流变换器，其特征是，所述的交流斩波电路包括：滤波电容和与之级联的单相逆变器，其中：滤波电容并联于交流斩波电路的输入端，单相逆变器的输出端与高频变压器电路相连接。
3.根据权利要求1所述的高压转低压直流变换器，其特征是，所述的单相逆变器具体是由四个桥接的逆导型开关组成的单相电压源逆变器。
4.根据权利要求1所述的高压转低压直流变换器，其特征是，所述的高频变压器电路为高频变压器，其初级绕组与单相逆变器的输出端相连，次级绕组与储能电路的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的高压转低压直流变换器，其特征是，所述的储能电路包括：两个高速二极管和两个电解电容，其中：第一高速二极管和第一电解电容正向串联后并联于高频变压器电路的输出端，第二高速二极管和第二电解电容反向串联后并联于高频变压器电路的输出端，第一电解电容的正极和第二电解电容负极构成储能电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的高压转低压直流变换器，其特征是，所述的波形变换电路包括：第五逆导型开关、第一电感电感、第三功率二极管和第三电解电容，其中：第一电感与第三功率二极管相串联，第三电解电容并联于波形变换电路的输出端，第五逆导型开关的两端分别与第三功率二极管和第三电解电容相连接。
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