CN102638168A

CN102638168A - 直流电压变换器

Info

Publication number: CN102638168A
Application number: CN2012100902139A
Authority: CN
Inventors: 韩古月
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明为一种单向直流电压变换器，可适用于各类中高压直流系统。该变换器由原边及可选的滤波电路，数个并联的直流变换单元，可选的变压器和副边及其滤波电路组成。其中数个并联的直流变换单元中不含变压器，而是由二极管、电感、电容和功率器件组成的中间能量模块等组成。中间能量模块由半桥结构的全控功率器件并联电容构成。数个直流变换单元的控制过程分为能量流入和流出中间能量模块两个阶段，可以分别对两个阶段的电流进行控制，也可以只控制一个阶段的电流，另一个阶段利用谐振和半控功率器件的单向导通特性。该单向直流电压变换器中的变压器部分可以采用单绕组或多绕组的结构，也可根据变比需求进行省略。通过单向直流电压变换器的应用可以降低输电成本，简化输电系统。

Description

直流电压变换器

技术领域

本发明涉及一种单向直流电压转换器的拓扑。本发明还涉及两种该转换器的控制方法。

背景技术

一方面，在中高压直流线路中，为了实现电压变换，一般采用先将电压由直流变为交流，之后通过交流变压器变压，最后再变回直流的方式。而以上做法既导致输电效率低，又需要大量功率器件。另一方面，在相同电压等级和损耗要求下，三相交流输电线路必须使用比直流输电线路更多的材料。

德国学者R.Marguardt将半桥全控功率器件结构和电容并联组成基本模块，将该基本模块串联起来，应用于直流到交流或交流到直流的变换器，这种变换器被称为模块化多电平变换器(MMC)。由于电容上的电压限制，使模块中的全控功率器件不需承受过高的电压，就能实现高电压等级的直流到交流的变换。

上述的基本模块中含有一种由两个全控功率器件和反并联二极管同向串联构成的基本单元，也就是所谓的半桥。半桥有三个电压引出点，可以被称为负点n、中点o及正点p。在正点p和负点n之间并联接入一个电容。则通过对半桥中全控功率器件的互补控制，实现中点o对负点n电压值为电容电压或为零。

发明内容

对于高压直流变换器，不能使用传统的buck、boost等直接的直流变换拓扑的原因，主要是受全控功率器件耐压的限制。本发明利用前述的半桥结构并联电容的基本模块，将其应用于直流变换，以实现使用低耐压等级的全控功率器件，在直流中高压环境中直接进行电压变换。

将两个全控功率器件串联再并联电容的结构单元，称为中间能量模块。将n个中间能量模块串联起来，既可以承受直流高压，也可以实现对某个直流变换单元的控制。所采用的控制方案是：将过程分为能量流入和流出中间能量模块两个阶段，第一阶段，控制输入端的能量先流入n个中间能量模块；第二阶段，控制n个中间能量模块的能量流入输出端。使用高耐压的半控功率器件，如晶闸管等，来实现输入端、n个中间能量模块和输出端之间的导通和隔离。

将上述的直流变换单元并联起来，可实现一个周期中，各个时段都有某个直流变换单元的电流流入高频变压器，这样既可提高流入高频变压器的电流的频率，也可减少相同功率下流入副边的电流最大值。直流变换单元分为数量相等的两组，与变压器原边端口的连接相反，从而实现高频变压器的磁通复位。

由上述原理，可以通过对中间能量模块中可关断功率半导体导通或关断的控制，控制中间能量模块输出端电压，从而实现流入流出电抗器的电流数值的控制，也就是实现了不同功率的能量传送；实现中间能量模块上电容电压的数值控制；实现对输出电容及并联的输出端上电压数值的控制。这种控制是由采样电路、数字芯片和脉冲发生电路实现的。

通过本发明所述的装置，因其所用器件少，所以具有媲美交流变压器的经济性；因其输入端和输出端均为电容，所以具有媲美交流变压器的稳定性和耐冲击性能；因其结构简单，所以具有媲美交流变压器的体积；因为中间能量模块的结构相同，便于封装且有良好的冗余能力；因为中间能量模块的可控性，可以实现不同输入输出电压值的调节；因为中间能量模块的数量，可以实现低电流纹波下的精确控制；因为采用直流变换单元的并联，可以有效减小副边电流的波动和最大值。

附图说明

图1以示意图示出了本发明装置的组成结构

图2示出了本发明装置中直流变换单元的拓扑结构

图3示出了本发明装置的中间能量模块的一种实施例

图4示出了本发明装置的中间能量模块的一种衍生实施例

图5示出了本发明装置中高频变压器的一种结构

图6示出了本发明装置中高频变压器的一种结构

图7示出了本发明装置包含两个并联的直流变换单元，每个单元采用三个中间能量模块且省略电抗L₁和L₃时，采用一种控制方式，中间能量模块上管控制电压及中间支路上电抗L₁₂，L₂₂上的电流

图8示出了本发明装置包含两个并联的直流变换单元，每个单元采用三个中间能量模块且省略电抗L₁和L₃时，采用一种控制方式，中间能量模块上管控制电压及中间支路上电抗L₁₂，L₂₂上的电流

具体实施方式

如图1所示，本发明设计的装置由原边及可选的滤波电路，数个并联的直流变换单元，可选的变压器和副边及其滤波电路组成。

并联的直流变换单元结构相同，均如图2所示。该单元可以将电压为U₁的原边电压源的能量经由二极管D_k1流入由电抗器L_K1，L_k2和n个中间能量模块M_k1、M_k2到M_kn。当流入能量满足要求后，通过对中间能量模块M_k1、M_k2到M_kn的控制，使电抗器L_k2和n个基本单元M_k1、M_k2到M_kn上的能量经由半控功率器件D_k2，电抗器L_k3流入副边电容C₂和其并联的电压副端U₂。

每个并联的直流变换单元进入第二阶段的时间是交错的，从而使流入高频变压器的电流频率较高直至表现为直流。当直流变换单元的变比和使用条件不同时，可以省略每个单元内三个电抗器中的一个或两个。

如图3所示，对中间能量模块的控制指的是当半桥中上端可控功率半导体导通而下端可控功率半导体阻断，中间能量模块输出端电压为模块内电容上电压；当半桥中上端可控功率半导体阻断而下端可控功率半导体导通，中间能量模块输出端电压为零。中间能量模块还可以采用图4所示的结构。对中间能量模块的控制采用互补的方式，即如果上管驱动信号为导通，则下管信号为关闭。

高频变压器可以采用图5所示的结构，即在变压器原边将并联的直流变流器端口连接在一起，其中，奇数组直流变换器接变压器的同名端，偶数组直流变换器接变压器的异名端。高频变压器还可以采用图6所示的结构，即原边采取多绕组共用磁芯的结构，同样将直流变流器分为数量相等的两组，分别连接变压器原边的同名或异名端。

综上，该变换器通过功率器件、电抗器和中间能量模块，将能量从某个电压等级的电压源送至另一个电压等级的电压源或负载上。

图7为采用两个直流变换单元并联的结构，且每个变换单元包含三个中间能量模块时，直流变换单元一和直流变换单元二的三个能量中间模块上管的控制信号的示意图和流入电感L₁₂，L₂₂(省略其它4个电感)上电流的示意图。对直流变换单元一来说，在一个时间为t周期内，将能量从电源流入中间能量模块的称为阶段一，时间为t₁。将能量从中间能量模块流入负载的阶段称为阶段二，时间为t₂。为使电流最大值相同，t₁和t₂的比例与电源电压U₁与负载电压U₂的比例相同。在阶段一，t₁₀到t₁₁阶段，控制所有中间模块接入电路的电压为零，从而使电感L₁，L₂上电流升至某预定值I_in；t₁₁到t₁₄阶段，按顺序逐步接入需充电的中间模块，并切出电容电压达到某预定值U_in的中间模块，来控制电感L₁，L₂上电流围绕预定值I_in波动；t₁₄到t₂₀阶段，使电流值降为零并使所有中间模块上电容电压都达到预定值U_in。阶段一中，电感电流和电容电压的预定值都可以通过系统的功率P值来确定，等式为

式中，由功率决定的模块电压最大值为U_in，模块电压最小值为U_out。在阶段二，采用和上述类似的方式，首先控制所有的中间模块接入电路的电压为合适值，从而使电感L₂，L₃上电流达到预定值I_out，之后逐步切出电容电压达到预定值U_out的中间模块并且切入能量未释放至预定值的模块，来控制电感L₁，L₂上电流围绕预定值I_out波动，直至所有中间模块上电容电压都达到预定值U_out。电感电流和电容电压的预定值都可以通过系统的功率P值来确定，等式为

以上的拓扑如果使用的是半控功率器件而非不控功率器件，在阶段一应触发原边侧半控功率器件，在阶段二应触发副边侧半控功率器件。直流变换单元二的控制方式和单元一类似，区别是每个阶段落后单元一半个周期。

因为中间能量单元上的电容和相应电感的谐振会被单向导通的可控功率半导体或不可控功率半导体负向阻断，上述控制过程可以通过一种简化方式实现：如图8所示，为三个能量中间模块上管的控制信号的示意图和流入电感L₂上电流的示意图。该方式只对两个阶段中的一个进行控制，而另一个阶段，如果是能量向低压侧传递，则使每个中间模块上电容的接入时间为本阶段总时间除以模块数量；如果是能量向高压侧传递，则使每个中间模块上电容的接入时间为本阶段总时间。与前述相同，直流变换单元二的控制方式和单元一类似，区别是每个阶段落后单元一半个周期。

Claims

1.一种用于直流的电压变换器，其特征是，该电压变换器由原边电源及可选的滤波电容、数个并联的直流电压变换单元、可选的高频变压器、副边滤波电容及输出端口构成。

2.根据权利要求1所述的直流电压变换器，其特征是，该电压变换器中数个并联的直流电压变换单元的拓扑为，二极管器件D_k1，限流电感L_k1，原边输入端口，三个环节串联组成原边支路；限流电感L_k2，n个中间能量模块M_k1，M_k2...M_kn，两个环节串联组成中间支路；二极管器件D_k2，限流电感L_k3，副边输出端口，三个环节串联组成副边支路；三条支路并联组成整个电路拓扑，其中，中间能量模块的结构为两个全控功率器件(IGBT类全控型器件)串联，再与电容C_M并联，全控功率器件的中间连接点和电容负端作为该中间能量模块的连接点串联接入中间支路，中间能量模块中的两个全控功率器件的控制信号互补，并且使中间能量模块接入中间支路的电压为电容C_M上电压或为零。

3.根据权利要求1和2所述的电压变换器，其特征是，每个直流变换单元的控制过程都分为：第一阶段，控制中间能量模块接入中间支路的电压，使能量由原端U₁经D_k1，L_K1，L_k2流入中间能量模块；第二阶段，控制中间能量模块接入中间支路的电压，使中间能量模块上存储的能量经由L_k2，L_k3，D_k2，流入副边输出端口，并联的直流变换单元各自的两阶段相互交错。

4.根据权利要求1和2所述的电压变换器，其特征是，直流变换单元的能量流动原理符合权力要求3所述，变换器中的器件采用具有类似控制性能或更好控制性能的器件取代。

5.根据权利要求1和2和3和4所述的电压变换器，其特征是，直流变换单元的能量流动原理符合权力要求3所述，限流电感中的一个或二个被省略。

6.根据权利要求1电压变换器，其特征是，可选的高频变压器可采用以下三种结构的一种：一，并联的直流变换单元输出端口连接在一起后流入一个高频变压器；二、并联的直流变换单元输出端口以及变压器的输出端口分别连接，但共用同一磁芯；三、并联的直流变换单元输出端口连接在一起直接输出，省略高频变压器。

7.根据权利要求1和2和3和4和5所述的电压变换器，其特征是，对该变换器中每个直流变换单元的控制方法为：第一阶段，轮流控制0个或1个或...或n个中间能量单元上电容接入以从原端吸取能量，吸取能量的过程中使输入电流为预设值并使中间能量单元的电容上电压升至预设值；第二阶段，轮流控制0个或1个或...或n个中间能量单元上电容接入以向副端放出能量，放出能量的过程中控制输出电流为预设值并控制中间能量单元的电容上电压降至预设值，并联的直流变换单元各自的两阶段相互交错。

8.根据权利要求1和2和3和4和5所述的电压变换器，根据权利要求6所述的控制方法，其特征是，对该变换器的控制方法为，只在中间能量单元吸取或释放能量阶段之一进行控制，即轮流控制0个或1个或...或n个中间能量单元上电容接入，以使电流为预设值并使中间能量单元的电容上电压升至预设值；在另一阶段，轮流控制0个或1个或...或n个中间能量单元上电容接入，依靠中间能量单元上电容和电流回路中电感的谐振实现能量的传递，并联的直流变换单元各自的两阶段相互交错。