CN104333228B - 一种高频双向隔离系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高频双向隔离系统，包括低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元、高压侧单元和控制单元；低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元和高压侧单元依次双向连接，所述能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元和变流逆变单元分别与所述控制单元双向连接。本发明解决了电力电子系统变流领域中，变流单元要求同时具备高频隔离、能量双向流动、升降压的矛盾，具有极强的创新性。实现能量的高效、精准、按需传递。有较强的创新性，会有助于在电力电子系统变流领域中的革新应用，有望带来较大的经济效益和社会效益。

Description

一种高频双向隔离系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种高频双向隔离系统。
背景技术
在电力电子系统中，一些变流领域中的装置或设备，其输入、输出一般是是一个变化范围较大的，甚至波动很大的源、而其输出是一个波动很小，相对固定的值，因此要求其内部应具备升降压功能。在工业和民用领域有些场所会根据安全、场地需要，要求电力电子装置的输入、输出具备电气隔离、体积小、重量轻的功能；还有一些设备需要根据不同工况，要求既能通过外部电源给其充电、也能给外部负载供能放电，这就要求装置内具备可以实现能量双向传递的功能。以上这些需求，行业通用解决办法就是根据需求单一集成应对。若以上要求都满足时，按照通用搭积木做法，整个系统异常臃肿、庞大且价格昂贵，无法真正满足客户需求，更无市场推广价值。而具备升降压、高隔离功能的单元在以上领域和行业变流装置中又处于核心位置，要求其应具有高可靠性、高转换效率、体积小、重量轻，输入、输出高电气隔离、能量可以双向传递功能。
发明内容
针对现有技术不足和市场巨大需求，本发明提供一种高频双向隔离系统，解决了电力电子系统变流领域中，变流单元要求同时具备高频隔离、能量双向流动、升降压的矛盾，具有极强的创新性。该拓扑的应用会有效提高整个系统的集成度和稳定性，易同时满足系统高频隔离、能量双向传递、升降压功能、具有体积小、重量轻的特点；可为市面上主流的变流装置如光伏并网逆变器、离网逆变器、储能双向逆变器、风力变流器，直流变换器，提供所需的电压等级；实现能量的高效、精准、按需传递。本发明具有较强的创新性，会有助于在电力电子系统变流领域中的革新应用，有望带来较大的经济效益和社会效益。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种高频双向隔离系统，所述系统包括低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元、高压侧单元和控制单元；低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元和高压侧单元依次双向连接，所述能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元和变流逆变单元分别与所述控制单元双向连接。
所述低压侧单元包括低压直流支撑电容C1，所述低压直流支撑电容C1为金属膜电容；所述低压直流支撑电容C1的正极连接高频电力场效应晶体管T5的源极，其负极接地。
所述能量流向管理单元包括高频电力场效应晶体管T5和第一AD采集器；所述高频电力场效应晶体管T5为N沟通增强型电力场效应管，其工作频率达20KHz以上，且内部设有续流二极管；所述第一AD采集器为电压-电流采集器。
当能量从高压侧单元向低压侧单元传递时，通过控制所述高频电力场效应晶体管T5的开通，以提供能量流向通道；
当能量从低压侧单元向高压侧单元传递时，续流二极管提供能量流向通道，同时也截止高压侧单元的高电压对低压侧单元的冲击。
所述升压逆变单元包括高频电感L1、高频电感L2、电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2；所述高频电感L1和高频电感L2的一端均连接高频电力场效应晶体管T5的漏极，高频电感L1和高频电感L2的另一端分别连接电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的漏极，同时电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的源极分别和高频隔离单元中的高频隔离变压器低压端相连，电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的源极均接地。
所述高频电感L1和高频电感L2的磁芯采用基于非晶合金材料制成；
所述电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2均为N沟通增强型电力场效应管，两者的工作频率高达20KHz以上，且内部分别设有续流二极管。
所述高频隔离单元包括高频隔离变压器、第二AD采集器和隔直电容C4；所述高频隔离变压器分为低压端和高压端，低压端和高压端均通过接线端子分别连接升压逆变单元和变流逆变单元。
所述高频隔离变压器内部磁芯采用非晶合金或铁粉芯材质制成，可耐受至少20kHz的高频交流电压，其变比为1：1；所述高频隔离变压器低压端和高压端均耐受3000KV以上工频高压冲击，工作海拔高度不低于3000米。
所述第二AD采集器为电流采集器，该电流采集器设置在高频隔离变压器低压端，实时采集流过高频电感L1和高频电感L2内的电流，防止短路或过流烧毁变压器的事故发生；
所述隔直电容C4串联在高频隔离变压器高压侧，采用可耐高频纹波冲击的金属膜电容，防止在逆变中有直流成分进入到高频隔离变压器内部，造成变压器磁饱和而发生短路事故。
所述变流逆变单元包括桥臂式连接的可关断电力电子器件T3、可关断电力电子器件T4和电压-电流采集器；所述可关断电力电子器件T3的发射极与可关断电力电子器件T4的集电极相连，同时和高频隔离变压器高压侧相连，可关断电力电子器件T4的发射极接地。
所述可关断电力电子器件T3和可关断电力电子器件T4均包括绝缘门极双极性晶体管和与绝缘门极双极性晶体管反并联的续流二极管，通过控制绝缘门极双极性晶体管的关断，为线路感性负载或杂散电感提供能量续流通道；
所述电压-电流采集器为高精度12位的数字采集器，设置于可关断电力电子器件T3的发射极附近，检测高频隔离变压器高压侧电压和电流，为控制单元提供实时电压和实时电流，便于控制单元精准控制。
所述高压侧单元包括高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3；所述高压直流支撑电容C2的正极连接可关断电力电子器件T3的集电极，其负极通过隔直电容C4连接高频隔离变压器高压侧，同时连接高压直流支撑电容C3的正极，所述高压直流支撑电容C3的负极接地。
所述高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3均包括多个并联的单体电容，且高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3内部的单体电容数量相等；所述单体电容采用电解电容或薄膜电容。
所述控制单元包括数字控制单元、数据处理单元、驱动单元和通讯单元；所述数字控制单元根据数据处理单元反馈的实时值进行计算和判断，再通过驱动单元下达不同占空比的驱动指令，实时控制可关断电力电子器件的通断时长和关断频率；同时数字控制单元通过通讯单元与外围设备进行交互。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、解决了电力电子系统变流领域中，变流单元要求同时具备高频隔离、能量双向传递、升降压的矛盾；基于该拓扑的变流装置，将在体积小型化、效率高效化、集成高度化方面带来革新性的变化，对提高系统稳定性有质的飞跃；
2、低压侧单元具有输入电压范围宽，工作频率高，电压、电流调节响应度块，输出电压\电流谐波小，自身损耗低等优点；
3、高频隔离变压器实现了低压侧单元与高压侧单元之间的电气隔离，实现了能量的双向传递。同时通过高频化的能量传递模式，有效提高了能量传递效率，大大降低变压器的体积和重量，为整个变流系统装置小型化、易组装、现场配线等方面带来长效的经济效益；
4、高压侧单元具有输入电压范围宽，输出电压高、工作频率高，电压、电流调节响应度块，输出电压\电流谐波小，自身损耗低等优点；
5、高频电感L1和高频电感L2磁芯采用新型材料非晶合金，该材料最大优点是磁通密度高、磁导率高，不易饱和，损耗小，高频化，滤波效果佳。自身损耗低，有效提高系统整体效率。
附图说明
图1是本发明实施例中高频双向隔离系统框图；
图2是本发明实施例中高频双向隔离系统具体结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2，本发明提供一种高频双向隔离系统，包括低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元、高压侧单元和控制单元；低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元和高压侧单元依次双向连接，所述能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元和变流逆变单元分别与所述控制单元双向连接。
所述低压侧单元包括低压直流支撑电容C1，所述低压直流支撑电容C1为金属膜电容，具有耐压高，耐纹波电流冲击能力强，使用寿命长特点；所述低压直流支撑电容C1的正极连接高频电力场效应晶体管T5的源极，其负极接地。
所述能量流向管理单元包括高频电力场效应晶体管T5和第一AD采集器；所述高频电力场效应晶体管T5为N沟通增强型电力场效应管，其工作频率达20KHz以上，具有极高的开关响应特性；且内部设有续流二极管；所述第一AD采集器为电压-电流采集器。
当能量从高压侧单元向低压侧单元传递时，通过控制所述高频电力场效应晶体管T5的开通，以提供能量流向通道；
当能量从低压侧单元向高压侧单元传递时，续流二极管提供能量流向通道，同时也截止高压侧单元的高电压对低压侧单元的冲击。
所述升压逆变单元包括高频电感L1、高频电感L2、电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2；所述高频电感L1和高频电感L2的一端均连接高频电力场效应晶体管T5的漏极，高频电感L1和高频电感L2的另一端分别连接电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的漏极，同时电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的源极分别和高频隔离单元中的高频隔离变压器低压端相连，电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的源极均接地。通过交错控制电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的开断，能量流向高频隔离变压器低压端的方向发生变化，从而实现升压、逆变，能量传递功能。
所述高频电感L1和高频电感L2的磁芯采用基于非晶合金材料制成，是一种新型导磁性能突出的材料，具有居里温度高，温度特性好，高频损耗低的优点。
所述电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2均为N沟通增强型电力场效应管，两者的工作频率高达20KHz以上，具有极高的开关响应特性，较低的导通饱和压降；所述电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2内部分别设有续流二极管，当控制电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2关断时，为感性负载提供一个续流通道。
所述高频隔离单元包括高频隔离变压器、第二AD采集器和隔直电容C4；所述高频隔离变压器分为低压端和高压端，低压端和高压端均通过接线端子分别连接升压逆变单元和变流逆变单元。
所述高频隔离变压器内部磁芯采用非晶合金或铁粉芯材质制成，可耐受至少20kHz的高频交流电压，其变比为1：1；所述高频隔离变压器低压端和高压端均耐受3000KV以上工频高压冲击，工作海拔高度不低于3000米，具有体积小，转换效率高，工作温度范围宽等特点。
所述第二AD采集器为电流采集器，该电流采集器设置在高频隔离变压器低压端，实时采集流过高频电感L1和高频电感L2内的电流，防止短路或过流烧毁变压器的事故发生；
所述隔直电容C4串联在高频隔离变压器高压侧，采用可耐高频纹波冲击的金属膜电容，防止在逆变中有直流成分进入到高频隔离变压器内部，造成变压器磁饱和而发生短路事故。其中该单元和升压逆变单元配合使用，实现高频隔离、逆变功能。
所述变流逆变单元包括桥臂式连接的可关断电力电子器件T3、可关断电力电子器件T4和电压-电流采集器；所述可关断电力电子器件T3的发射极与可关断电力电子器件T4的集电极相连，同时和高频隔离变压器高压侧相连，可关断电力电子器件T4的发射极接地。
所述可关断电力电子器件T3和可关断电力电子器件T4是一种复合器件，具有MOSFET高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率高(10KHz以上)的优点，也具有电力晶体管电压、电流容量大，导通饱和降压低，安全工作区域宽的优点。可关断电力电子器件T3和可关断电力电子器件T4均包括绝缘门极双极性晶体管和与绝缘门极双极性晶体管反并联的续流二极管，通过控制绝缘门极双极性晶体管的关断，为线路感性负载或杂散电感提供能量续流通道；
所述电压-电流采集器为高精度12位的数字采集器，设置于可关断电力电子器件T3的发射极附近，检测高频隔离变压器高压侧电压和电流，为控制单元提供实时电压和实时电流，便于控制单元精准控制。
所述高压侧单元包括高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3；所述高压直流支撑电容C2的正极连接可关断电力电子器件T3的集电极，其负极通过隔直电容C4连接高频隔离变压器高压侧，同时连接高压直流支撑电容C3的正极，所述高压直流支撑电容C3的负极接地。
所述高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3均包括多个并联的单体电容，高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3的数量可根据系统容量的大小灵活配置，系统容量大，配置个数多，系统容量小，电容配置个数少，且高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3内部的单体电容数量相等；所述单体电容采用电解电容或薄膜电容，单体电容耐压等级应根据高频隔离变压器高压侧电压值的一半，再至少乘以1.2倍选型。
所述控制单元包括数字控制单元、数据处理单元、驱动单元和通讯单元；所述数字控制单元根据数据处理单元反馈的实时值进行计算和判断，再通过驱动单元下达不同占空比的驱动指令，实时控制可关断电力电子器件的通断时长和关断频率；同时数字控制单元通过通讯单元与外围设备进行交互，更智能化的适应不同系统不同需求。使得该系统兼容性更强，市场应用前景更广阔。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种高频双向隔离系统，其特征在于：所述系统包括低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元、高压侧单元和控制单元；低压侧单元、能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元、变流逆变单元和高压侧单元依次双向连接，所述能量流向管理单元、升压逆变单元、高频隔离单元和变流逆变单元分别与所述控制单元双向连接；
所述低压侧单元包括低压直流支撑电容C1，所述低压直流支撑电容C1为金属膜电容；所述低压直流支撑电容C1的正极连接高频电力场效应晶体管T5的源极，其负极接地；
所述能量流向管理单元包括高频电力场效应晶体管T5和第一AD采集器；所述高频电力场效应晶体管T5为N沟道增强型电力场效应管，其工作频率达20KHz以上，且内部设有续流二极管；所述第一AD采集器为电压-电流采集器；
当能量从高压侧单元向低压侧单元传递时，通过控制所述高频电力场效应晶体管T5的开通，以提供能量流向通道；
当能量从低压侧单元向高压侧单元传递时，续流二极管提供能量流向通道，同时也截止高压侧单元的高电压对低压侧单元的冲击；
所述升压逆变单元包括高频电感L1、高频电感L2、电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2；所述高频电感L1和高频电感L2的一端均连接高频电力场效应晶体管T5的漏极，高频电感L1和高频电感L2的另一端分别连接电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的漏极，同时电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的漏极分别和高频隔离单元中的高频隔离变压器低压端相连，电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2的源极均接地；
所述高频电感L1和高频电感L2的磁芯采用基于非晶合金材料制成；
所述电力场效应晶体管T1和电力场效应晶体管T2均为N沟道增强型电力场效应管，两者的工作频率高达20KHz以上，且内部分别设有续流二极管；
所述高频隔离单元包括高频隔离变压器、第二AD采集器和隔直电容C4；所述高频隔离变压器分为低压端和高压端，低压端和高压端均通过接线端子分别连接升压逆变单元和变流逆变单元；
所述高频隔离变压器内部磁芯采用非晶合金或铁粉芯材质制成，可耐受至少20kHz的高频交流电压，其变比为1：1；所述高频隔离变压器低压端和高压侧均耐受3000KV以上工频高压冲击，工作海拔高度不低于3000米；
所述第二AD采集器为电流采集器，该电流采集器设置在高频隔离变压器低压端，实时采集流过高频电感L1和高频电感L2内的电流，防止短路或过流烧毁变压器的事故发生；
所述隔直电容C4串联在高频隔离变压器高压侧，采用可耐高频纹波冲击的金属膜电容，防止在逆变中有直流成分进入到高频隔离变压器内部，造成变压器磁饱和而发生短路事故；
所述变流逆变单元包括桥臂式连接的可关断电力电子器件T3、可关断电力电子器件T4和电压-电流采集器；所述可关断电力电子器件T3的发射极与可关断电力电子器件T4的集电极相连，同时和高频隔离变压器高压侧相连，可关断电力电子器件T4的发射极接地；
所述可关断电力电子器件T3和可关断电力电子器件T4均包括绝缘门极双极性晶体管和与绝缘门极双极性晶体管反并联的续流二极管，通过控制绝缘门极双极性晶体管的关断，为线路感性负载或杂散电感提供能量续流通道；
所述电压-电流采集器为高精度12位的数字采集器，设置于可关断电力电子器件T3的发射极附近，检测高频隔离变压器高压侧电压和电流，为控制单元提供实时电压和实时电流，便于控制单元精准控制；
所述高压侧单元包括高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3；所述高压直流支撑电容C2的正极连接可关断电力电子器件T3的集电极，其负极通过隔直电容C4连接高频隔离变压器高压侧，同时连接高压直流支撑电容C3的正极，所述高压直流支撑电容C3的负极接地；
所述高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3均包括多个并联的单体电容，且高压直流支撑电容C2和高压直流支撑电容C3内部的单体电容数量相等；所述单体电容采用电解电容或薄膜电容；
所述控制单元包括数字控制单元、数据处理单元、驱动单元和通讯单元；所述数字控制单元根据数据处理单元反馈的实时值进行计算和判断，再通过驱动单元下达不同占空比的驱动指令，实时控制可关断电力电子器件的通断时长和关断频率；同时数字控制单元通过通讯单元与外围设备进行交互。
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