CN104753353A - 一种适用于高电压和大功率双向传输变换器 - Google Patents

一种适用于高电压和大功率双向传输变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述变换器包括功率模块；所述功率模块包括高频变压器和分别与所述高频变压器原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块；所述原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块分别包括四个模块SMp和四个模块SMs，所述原边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMp，所述副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMs。该变换器降低了功率管的开关频率和开关损耗，减小了单管所承受的电气应力，并提高了交流环节的波形质量。

Description

一种适用于高电压和大功率双向传输变换器
技术领域：
本发明涉及一种变换器，更具体涉及一种适用于高电压和大功率双向传输变换器。
背景技术：
由低压领域的直流斩波电路发展而来的DC/DC变换器也称直流变压器。近年来，伴随着直流电网概念的提出，其在高电压、大容量领域的应用研究得到了国内外学者的普遍重视。由此引出的新型拓扑型式，仿真建模技术和高频变压器关键技术等问题日益成为研究热点，其中拓扑型式的确定是研究工作的基础。
DC/DC变换器最原始的拓扑是非隔离型单管直流斩波电路，如Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Zeta电路和SEPIC电路等，上述电路中的功率器件在工作时处于硬开关状态，开关损耗较大，工作频率与效率均难以进一步提高。在直流电网背景下，DC/DC变换器需要应用于风电场并网，不同电压等级直流电网互联等场合，电压等级高，传输容量大，这些简单的拓扑型式难以满足应用需求，因此研究适用于高电压、大功率传输的DC-DC变换器拓扑非常重要。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，该变换器降低了功率管的开关频率和开关损耗，减小了单管所承受的电气应力，并提高了交流环节的波形质量。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述变换器包括功率模块；所述功率模块包括高频变压器和分别与所述高频变压器原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块；所述原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块分别包括四个模块SMp和四个模块SMs，所述原边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMp，所述副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMs。
本发明提供的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述模块SMp或模块SMs包括任意个串联的子模块SMi；每个所述子模块SMi为半桥子模块，其包括半桥模块和与所述半桥模块连接的电容器；所述半桥模块的两个桥臂分别包括反向并联的IGBT与二极管。
本发明提供的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，每个所述子模块SMi为全桥子模块，其包括全桥模块和作为所述全桥模块负载的电容器；所述全桥模块的四个桥臂分别包括反向并联的IGBT与二极管。
本发明提供的另一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，每个所述子模块SMi包括为箝位双子模块，其包括两个所述半桥子模块、设置在两个所述半桥子模块间的两个二极管和开关管；所述开关管包括反向并联的IGBT与二极管；所述开关管并联在两个所述半桥子模块间；在第一个所述半桥子模块与所述开关管支路间和第二个所述半桥子模块与所述开关管支路间分别设有二极管；第一个二极管的阳极与所述开关管中设有的二极管的阴极连接，第二个二极管的阴极与所述开关管设有的二极管的阳极连接。
本发明提供的再一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述变换器包括输入串联输出并联、输入串联输出串联，输入并联输出串联，输入并联输出并联四种形式。
本发明提供的又一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述输入串联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端并联；所述输入串联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端并联。
本发明提供的又一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，每个所述模块SMp和模块SMs分别串联电感器。
本发明提供的又一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述四个模块SMp分别为SMp1、SMp2、SMp3和SMp4，所述SMp1和SMp2串联，所述SMp3和SMp4串联；所述高频电压器原边则的每相的输入端与输出端分别连接所述SMp1和SMp2的中间和所述SMp3和SMp4的中间。
本发明提供的又一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述SMp1、SMp2、SMp3和SMp4包含的子模块数量相同，设为n；运行时，所述SMp1与SMp2投入运行的子模块数总和必须为n，所述模块SMp3与SMp4投入运行的子模块数总和必须为n。
本发明提供的又一优选的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述高频变压器副边侧的每相连接的全桥拓扑结构子模块的结构与所述高频变压器原边侧的全桥拓扑结构子模块结构相同，原边和副边的子模块数量相同或不同；其数量根据各自的电压等级进行确定。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明中的功率模块拓扑结构具备电气隔离、功率双向传输特点，适用于高电压和大功率双向能量传递的直流变换场合；
2、本发明的技术方案使大功率电力电子器件所承受的应力降低；
3、本发明中通过不同个数功率模块串联、并联的合理组合，可以应用高电压、大功率并且双向能量传递的场合；
4、本发明的主电路的模块化结构易于生产、装配及扩展；
5、本发明的技术方案降低了功率管的开关频率和开关损耗，并且减小了单管所承受的电气应力，并提高了交流环节的波形质量。
附图说明
图1为本发明的单相变压器多功率模块结构示意图；
图2为本发明的三相变压器多功率模块结构示意图；
图3为本发明的模块SMp和模块SMs结构示意图；
图4为本发明的半桥子模块SMi结构示意图；
图5为本发明的全桥子模块SMi结构示意图；
图6为本发明的箝位双子模块SMi结构示意图；
图7、本发明的功率模块输入串联输出串联形式的示意图；
图8、本发明的功率模块输入串联输出并联形式的示意图；
图9、本发明的功率模块输入并联输出并联形式的示意图；
图10、本发明的功率模块输入并联输出串联形式的示意图；
图11、为本发明的单相变压器单功率模块结构示意图；
图12、为本发明的三相变压器单功率模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-12所示，本例的发明适用于高电压和大功率双向传输变换器，所述变换器包括功率模块；所述功率模块包括高频变压器和分别与所述高频变压器原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块；所述原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块分别包括四个模块SMp和四个模块SMs，所述原边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMp，所述副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMs。
所述模块SMp或模块SMs包括任意个串联的子模块SMi；其中包含的串联子模块数量根据输入和输出的电压等级来确定；每个所述子模块SMi为半桥子模块，其包括半桥模块和与所述半桥模块连接的电容器；所述半桥模块的两个桥臂分别包括反向并联的IGBT与二极管。
每个所述子模块SMi为全桥子模块，其包括全桥模块和作为所述全桥模块负载的电容器；所述全桥模块的四个桥臂分别包括反向并联的IGBT与二极管。
每个所述子模块SMi包括为箝位双子模块，其包括两个所述半桥子模块、设置在两个所述半桥子模块间的两个二极管和开关管；所述开关管包括反向并联的IGBT与二极管；所述开关管并联在两个所述半桥子模块间；在第一个所述半桥子模块与所述开关管支路间和第二个所述半桥子模块与所述开关管支路间分别设有二极管；第一个二极管的阳极与所述开关管中设有的二极管的阴极连接，第二个二极管的阴极与所述开关管设有的二极管的阳极连接。上述子模块的结构需要根据电压等级和功率等级来进行具体选择。
所述变换器包括输入串联输出并联、输入串联输出串联，输入并联输出串联，输入并联输出并联四种形式，根据变换器的电压等级、功率数值对这四种组合形式进行综合选择。
所述输入串联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端并联；所述输入串联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端并联。输入侧的功率模块数量也可以为1，输出侧的功率模块数量也可以为1。并不限定功率模块的数量至少为2。而且输入侧和输出侧的功率模块数量可以不同。
如：当输入侧为1个功率模块，输出侧为1个，这是最极端情况，如图11和图12；
当输入侧为1个功率模块，输出侧为至少2个功率模块串联或者并联，这是输入侧的极端情况；
当输入侧为至少2个功率模块串联或者并联，输出侧为1个功率模块，这是输出侧的极端情况；
当输入侧为至少2个功率模块串联或者并联，输出侧也至少2个功率模块串联或者并联，且两侧的功率模块的数量可以相等也可以不等。
每个所述模块SMp和模块SMs分别串联电感器。
所述四个模块SMp分别为SMp1、SMp2、SMp3和SMp4，所述SMp1和SMp2串联，所述SMp3和SMp4串联；所述高频电压器原边则的每相的输入端与输出端分别连接所述SMp1和SMp2的中间和所述SMp3和SMp4的中间。
所述SMp1、SMp2、SMp3和SMp4包含的子模块数量相同，设为n；运行时，所述SMp1与SMp2投入运行的子模块数总和必须为n，所述模块SMp3与SMp4投入运行的子模块数总和必须为n。
所述高频变压器副边侧的每相连接的全桥拓扑结构子模块的结构与所述高频变压器原边侧的全桥拓扑结构子模块结构相同，原边和副边的子模块数量相同或不同；其数量根据各自的电压等级进行确定。如所述模块SMp所包含的SMi为半桥子模块，而所述模块SMs中的SMi为全桥子模块或者箝位双子模块，也可以为半桥子模块，即所述模块SMp和SMs中所包含的SMi可以为半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块的任意一种。
所述变换器输入侧为直流电压，输出侧为直流电压，变换器能够实现直流电压变换，直流功率双向传输的功能。变换器包含输入侧的换流器，高频变压器，输出侧的换流器这三部分。内部结构则根据输入的电压等级、功率等级进而选择一种输入串联输出并联、输入串联输出串联、输入并联输出串联、输入并联输出并联的组合形式，确保满足功能的要求。
以图1为例说明变换器的工作原理：
输入侧输入直流电压，通过输入侧的换流器将直流电压逆变换流转为高频的交流电压形式输出至高频变压器一次侧，通过耦合传递至二次侧交流电压至输出侧，通过输出的换流器将高频的交流电压整流为直流电压实现直流电压的变化及直流功率的传输。输入侧的换流器和输出侧的换流器均可以工作在整流和逆变两种状态，并均能调节输出电压的幅值和相位两个参数，这样保证了变换器具备双向传输的功能。即正向传输时，输入侧的换流器工作在逆变状态，输出侧的换流器工作在整流状态；反向传输时，原输入侧的换流器工作在整流状态，原输出侧的换流器工作在逆变状态。
换流器通过内部子模块开关器件的切换，实现子模块对输出电压的控制。为了保证总直流电压的稳定，换流器每个相单元中处于投入状态的子模块数必须维持恒定且相同（设为n），通过改变这n个子模块在该相上、下桥臂间的分配关系来得到期望的交流相电压输出。例如将这n个子模块在上下桥臂间平均分配，则该相交流端输出电压为零。如果下桥臂中处于投入状态的子模块数多于上峭壁，则该相交流段输出电压为正；反之，则该相交流端输出电压为负。根据不同电压等级、功率等级以及对变换器在不同应用场合的系统要求等来选择不同子模块的结构形式。
其输入和输出侧的换流器均选择为相同的结构，能够保证变换器内的交流侧电压为阶梯正弦的形式，这种电压非常利于高频变压器的工作，能够降低损耗，进而提高变换器整体的工作效率；所述子模块结构简单，工作状态少，控制相对简单；所述子模块的结构、参数相同，这降低了制造难度和成本，便于生产、装配及扩展，为更高的电压、更高的功率传输时，仅需增加子模块的数量即可。而传统的两电平电压源换流器虽然也能够既工作在整流，也可以工作在逆变，但是交流侧的电压为两电平形式，不利于高频变压器的工作，损耗较高，变换器的整体效率会受到限制；另外，两电平的结构形式下1）单个阀组串联的开关器件过多，将增加串联器件静态、动态均压的难度，2）变流器在工作过程中将产生较大的冲击电压du/dt，因此所有器件的设计都需要考虑耐受这一冲击，3）为了得到较好的动态性能和谐波特性，开关器件的投切频率一般在1～2KHz左右，这将导致换流器的损耗增大，降低变换器的整体效率。
下面具体介绍不同子模块结构的工作原理。
图4半桥子模块的工作原理：在正常运行过程中，子模块将根据控制在2种工作状态之间进行转换。1)输出状态，T1开通，T2关断，此时子模块处于输出状态，即子模块输出电压等于电容电压，此时桥臂中的电流将对子模块电容充放电；2）非输出状态，T1关断，T2开通，此时子模块处于非输出状态，即子模块输出电压为零，子模块电容被旁路。半桥子模块能够输出0和Uc两个电平。
选择以图4半桥子模块构成的变换器不论是单相的图1或者三相的图2时，当各相上、下桥臂串联的子模块个数分别为n时，交流侧即能实现n+1个电平输出；在正常运行过程中的任意时刻，不论各相上、下桥臂处于输出状态的子模块数是多少，必须保证各相上、下桥臂中处于输出状态的子模块个数总和为n。图1中变压器采用单相变压器，图2中采用三相变压器，图2比图1中的开关器件多，控制量多，复杂，但是三相变压器比单相变压器效率高，铁芯的利用率高，需要根据电压等级和功率等级进行综合比较选择。
图5全桥子模块的工作原理。它可以看做是两个图4半桥子模块的组合。它由4个IGBT（T1，T2，T3，T4），4个反并联二极管（D1，D2，D3，D4）组成，Co是直流电容，Uc是电容电压。基于图4的原理分析可知，T1和T4导通，全桥子模块输出电压为Uc；T2和T3导通，输出电压为Uc，T1和T3或者T2和T4导通，输出电压为0。选择以图5半桥子模块构成的变换器不论是单相的图1或者三相的图2时，当各相上、下桥臂串联的子模块个数分别为n时，交流侧即能实现2n+1个电平输出；在正常运行过程中的任意时刻，不论各相上、下桥臂处于输出状态的子模块数是多少，必须保证各相上、下桥臂中处于输出状态的子模块个数总和为n。
.图6箝位双子模块的工作原理。它也是基于半桥子模块发展起来的，在两个半桥子模块组合基础上，在两个半桥子模块之间增加了一个开关器件T5以及3个反并联二极管D5，D6和D7。正常运行时，T5一直处于导通状态，箝位双子模块等效为2个级联的半桥子模块，输出电平有3中状态：0、Uc、2Uc。因此，箝位双子模块的换流器可以完全移植半桥子模块换流器的控制策略和调制方法，只需要在器件触发层面对脉冲进行再分配。
选择以图6半桥子模块构成的变换器不论是单相的图1或者三相的图2时，当各相上、下桥臂串联的子模块个数分别为n时，交流侧即能实现2n+2个电平输出；在正常运行过程中的任意时刻，不论各相上、下桥臂处于输出状态的子模块数是多少，必须保证各相上、下桥臂中处于输出状态的子模块个数总和为n。虽然单个箝位双子模块比全桥子模块的开关器件以及二极管数量多，但是同容量换流器下，箝位双子模块的开关器件以及二极管总数是比全桥子模块的数量少，箝位双子模块在性能上要优于全桥，在数量上接近半桥子模块，在电平数上要劣于全桥。
最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述变换器包括功率模块；所述功率模块包括高频变压器和分别与所述高频变压器原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块；所述原边侧和副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块分别包括四个模块SMp和四个模块SMs，所述原边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMp，所述副边侧的每相连接的全桥拓扑结构的模块的每个桥臂分别设有一个模块SMs。
2.如权利要求1所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述模块SMp或模块SMs包括任意个串联的子模块SMi；每个所述子模块SMi为半桥子模块，其包括半桥模块和与所述半桥模块连接的电容器；所述半桥模块的两个桥臂分别包括IGBT与反向并联的二极管。
3.如权利要求2所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：每个所述子模块SMi为全桥子模块，其包括全桥模块和作为所述全桥模块负载的电容器；所述全桥模块的四个桥臂分别包括IGBT与反向并联的二极管。
4.如权利要求2所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：每个所述子模块SMi包括为箝位双子模块，其包括两个所述半桥子模块、设置在两个所述半桥子模块间的两个二极管和开关管；所述开关管包括IGBT与反向并联的二极管；所述开关管并联在两个所述半桥子模块间；在第一个所述半桥子模块与所述开关管支路间和第二个所述半桥子模块与所述开关管支路间分别设有二极管；第一个二极管的阳极与所述开关管中设有的二极管的阴极连接，第二个二极管的阴极与所述开关管设有的二极管的阳极连接。
5.如权利要求1所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述变换器包括输入串联输出并联、输入串联输出串联，输入并联输出串联，输入并联输出并联四种形式。
6.如权利要求5所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述输入串联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端并联；所述输入串联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端串联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出串联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端串联；所述输入并联输出并联形式为输入端与输出端至少其中一侧设为至少两个所述功率模块的输入端并联或至少两个所述功率模块的输出端并联。
7.如权利要求2所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：每个所述模块SMp和模块SMs分别串联电感器。
8.如权利要求1所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述四个模块SMp分别为SMp1、SMp2、SMp3和SMp4，所述SMp1和SMp2串联，所述SMp3和SMp4串联；所述高频电压器原边则的每相的输入端与输出端分别连接所述SMp1和SMp2的中间和所述SMp3和SMp4的中间。
9.如权利要求8所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述SMp1、SMp2、SMp3和SMp4包含的子模块数量相同，设为n；运行时，所述SMp1与SMp2投入运行的子模块数总和必须为n，所述模块SMp3与SMp4投入运行的子模块数总和必须为n。
10.如权利要求1所述的一种适用于高电压和大功率双向传输变换器，其特征在于：所述高频变压器副边侧的每相连接的全桥拓扑结构子模块的结构与所述高频变压器原边侧的全桥拓扑结构子模块结构相同，原边和副边的子模块数量相同或不同；其数量根据各自的电压等级进行确定。
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