CN105680709A - 前级并联后级并联型模块化ac-dc-dc变换器 - Google Patents

前级并联后级并联型模块化ac-dc-dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子系统集成技术领域，旨在提供一种前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器。该变换器包含并联型PWM整流器与并联型DC-DC变换器，并联型PWM整流器由n个输入端相互并联的整流单元构成；由四个功率二极管构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器副边相连，整流桥输出侧跨接低通滤波器后作为变换器的输出。本发明提出的变换器能够实现总输出直流电压可调与输入输出均流状态，使得系统在运行过程中避免出现现有技术中各并联单元电路参数差异引起的并联型PWM整流器输入电流不均与并联型DC-DC变换器输出电流不均。

Description

前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子系统集成技术领域，尤其涉及前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器及运行方式。
背景技术
大容量整流器可以用于电动汽车充电、分布式发电系统、电力机车牵引系统等。由于受到电力电子器件功率等级的限制，单个功率器件往往不能满足大电流应用的需求，而并联技术可以很好地弥补功率半导体载流能力有限的缺点。目前并联技术主要有器件级并联、线路级并联与装置级并联。器件在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的分散性会影响它们直接并联时的电流均衡，为解决器件并联时的静态和动态均流问题，需要在特性的选配、栅(门)极的触发、均流电路等方面采取一定的措施。线路级并联是指各并联桥臂中点串联电抗器后再进行并联，这种并联方式结构简单，但是电抗器体积、重量、成本较高。采用电力电子系统集成技术的装置级并联将控制器一并集成到各并联单元中，系统的灵活性很高，利于进行简单组合，是应用于大容量整流器的主流选择。
为了消除电力电子变换器引起电网谐波含量又能自由调节系统输出直流电压，整个变换器由前后两级构成，前级为并联型PWM整流器，后级为并联型DC-DC变换器。若系统中各并联单元电路参数不一致，势必会引起前端输入电流不均与后端输出电流不均。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器，包含一个并联型PWM整流器与一个并联型DC-DC变换器，所述并联型PWM整流器由n个整流单元i构成，各整流单元输入端相互并联，i＝1，2…n；在整流单元i输入侧的两条交流支路中分别串联滤波电感Li1与Li2；由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥两个输入端点分别与滤波电感Li1与Li2一端相连，H桥两个输出端点间跨接一个滤波电容Ci；所述并联型DC-DC变换器由n个DC-DC变换器i构成，各DC-DC变换器输出端相互并联，i＝1，2…n；在DC-DC变换器i中，由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧两个端点分别与滤波电容Ci两端相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连；由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器后作为变换器的输出。
本发明进一步提供了基于前述前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器的控制方法，对所述并联型PWM整流器的运行控制包括以下步骤：
(1)检测电网电压的相位(Vg/|Vg|)、整流单元i输出电压Vi与输入电流iIi，i＝1，2…n；
(2)给定总输出直流电压Vref与总输出电压之差作为电压调节器Gv的输入；
(3)Gv的输出与电网电压的相位(Vg/|Vg|)相乘作为各整流单元输入电流给定值的主要分量igref0；
(4)求出并联型PWM整流器总输入电流后算出平均输入电流I；
(5)平均输入电流I与整流单元i输入电流iIi作差后作为均流调节器GCi的输入，i＝1，2…n；
(6)整流单元i均流调节器GCi的输出与输入电流给定值的主要分量igref0相加之后，再与输入电流iIi作差后的结果作为整流单元i电流调节器GIi的输入；
(7)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到整流单元i全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4的驱动信号。
本发明还提供了基于前述前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器的控制方法，对所述DC-DC变换器运行控制包括以下步骤：
(1)采样并联型DC-DC变换器输出电压VD以及各并联单元的输出电流iOi；
(2)给定直流输出电压VDref与输出电压VD作差后的结果作为电压调节器GDV的输入；
(3)GDV的输出作为DC-DC变换器i电流调节器GDIi给定输入的主要分量iDref0，i＝1，2…n；
(4)求出DC-DC变换器输出总电流后算出平均输出电流ID；
(5)平均输出电流ID与DC-DC变换器i输出电流iDi作差后作为均流调节器GDCi的输入；
(6)均流调节器GDCi的输出与电压调节器的输出iDref0相加之后，再与输出电流iDi作差后的结果作为电流调节器GDIi的输入；
(7)电流调节器GDIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
本发明中，对所述电压调节器、电流调节器与均流调节器，都采用PI调节器。
本发明中，对并联型PWM整流器与并联型DC-DC变换器需同步控制。并联型PWM整流器中各整流单元所用的电路元件参数以及各DC-DC变换器所用的电路元件参数尽可能保持一致。
本发明的实现原理描述：
本发明以单相交流电压作为并联型PWM整流器的输入，并联型PWM整流器的直流输出端作为后级并联型DC-DC变换器的输入；每个DC-DC变换器通过H桥拓扑将输入直流电压变换为占空比可变的PWM电压，然后利用高频变压器调节PWM电压的幅值，进而通过二极管桥式整流将PWM电压变换为直流电压，最后经过LC低通滤波器得到稳定的直流电压；每个DC-DC变换器输出端相互并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的变换器能够实现总输出直流电压可调与输入输出均流状态，使得系统在运行过程中避免出现现有技术中各并联单元电路参数差异引起的并联型PWM整流器输入电流不均与并联型DC-DC变换器输出电流不均。
附图说明
图1前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器主电路图；
图2并联型PWM整流器各整流单元驱动信号产生框图；
图3各DC-DC变换器的驱动信号产生框图。
具体实施方式
本发明的实现基础是，基于前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器，该系统包含一个并联型PWM整流器与一个并联型DC-DC变换器。并联型PWM整流器由n个整流单元构成，各整流单元输入端相互并联。在整流单元i(i＝1，2…n)输入侧的两条交流支路中分别串联滤波电感Li1与Li2。由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥两个输入端点分别与滤波电感Li1与Li2一端相连，H桥两个输出端点间跨接一个滤波电容Ci。
DC-DC变换器i(i＝1，2…n)输入侧与整流单元i输出端相连。由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧两个端点分别与滤波电容Ci两端相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连。由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器。每个DC-DC变换器输出端相互并联。
本发明中级联PWM整流器的具体工作过程按如下步骤进行：
1)检测电网电压的相位(Vg/|Vg|)、整流单元i(i＝1，2…n)输出电压Vi与输入电流iIi；
2)电压调节器Gv的输入按公式(1)计算，Vref为给定总输出直流电压；
3)各整流单元输入电流给定值的主要分量igref0按公式(2)计算；
igref0＝Gv的输出*(Vg/|Vg|)(2)
4)并联型PWM整流器输入平均电流I按公式(3)计算；
I = Σ i = 1 n i I i n - - - ( 3 )
5)[I-iIi]作为均流调节器GCi的输入；
6)[igref0+GCi的输出-iIi]作为整流单元i电流调节器GIi的输入；
7)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到整流单元i全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4的驱动信号。
本发明中DC-DC变换器i(i＝1，2…n)的具体工作过程按如下步骤进行：
DC-DC变换器i(i＝1，2…n)控制方法，具体包括以下步骤：
1)采样并联型DC-DC变换器输出电压VD以及各并联单元的输出电流iOi；
2)[给定输出直流电压VDref-VD]作为电压调节器GDV的输入；
3)GDV的输出作为DC-DC变换器i电流调节器GDIi给定输入的主要分量iDref0；
4)DC-DC变换器输出平均电流ID按公式(4)计算；
I D = Σ i = 1 n I D i n - - - ( 4 )
5)[ID-iDi]作为均流调节器GDCi的输入；
6)[iDref0+GDCi的输出-iDi]作为电流调节器GDIi的输入；
7)电流调节器GDIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
下面结合附图和进一步说明本发明。
图1所示为前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器主电路图，该系统包含一个并联型PWM整流器与一个并联型DC-DC变换器。并联型PWM整流器由n个整流单元构成，各整流单元输入端相互并联。在整流单元i(i＝1，2…n)输入侧的两条交流支路中分别串联滤波电感Li1与Li2。由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥两个输入端点分别与滤波电感Li1与Li2一端相连，H桥两个输出端点间跨接一个滤波电容Ci。DC-DC变换器i(i＝1，2…n)输入侧与整流单元i输出端相连。由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧两个端点分别与滤波电容Ci两端相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连。由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器。每个DC-DC变换器输出端相互并联。
图2所示为并联型PWM整流器各整流单元驱动信号产生框图，具体产生过程按如下步骤进行：1)检测电网电压的相位(Vg/|Vg|)、整流单元i(i＝1，2…n)输出电压Vi与输入电流iIi；2)计算电压调节器Gv的输入；3)计算各整流单元输入电流给定值的主要分量igref0；4)计算并联型PWM整流器输入平均电流I；5)[I-iIi]作为均流调节器GCi的输入；6)[igref0+GCi的输出-iIi]作为整流单元i电流调节器GIi的输入；7)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到整流单元i全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4的驱动信号。
图3所示为DC-DC变换器i(i＝1，2…n)驱动信号产生框图，具体产生过程按如下步骤进行：1)采样并联型DC-DC变换器输出电压VD以及各并联单元的输出电流iOi；2)[给定输出直流电压VDref-VD]作为电压调节器GDV的输入；3)GDV的输出作为DC-DC变换器i电流调节器GDIi给定输入的主要分量iDref0；4)计算DC-DC变换器输出平均电流ID；5)[ID-iDi]作为均流调节器GDCi的输入；6)[iDref0+GDCi的输出-iDi]作为电流调节器GDIi的输入；7)电流调节器GDIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。

Claims (5)

1.一种前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器，包含一个并联型PWM整流器与一个并联型DC-DC变换器，其特征在于，所述并联型PWM整流器由n个整流单元i构成，各整流单元输入端相互并联，i＝1,2…n；在整流单元i输入侧的两条交流支路中分别串联滤波电感Li1与Li2；由带反并联续流二极管的全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4构成H桥拓扑，此H桥两个输入端点分别与滤波电感Li1与Li2一端相连，H桥两个输出端点间跨接一个滤波电容Ci；所述并联型DC-DC变换器由n个DC-DC变换器i构成，各DC-DC变换器输出端相互并联，i＝1,2…n；在DC-DC变换器i中，由带反并联续流二极管的全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4构成H桥拓扑，此H桥输入侧两个端点分别与滤波电容Ci两端相连，输出侧与高频变压器Ti原边相连；由四个功率二极管Di1，Di2，Di3与Di4构成整流桥，整流桥输入侧与高频变压器Ti副边相连，整流桥输出侧跨接由滤波电感Lfi与滤波电容Cfi构成的低通滤波器后作为变换器的输出。
2.基于权利要求1所述前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，对所述并联型PWM整流器的运行控制包括以下步骤：
(1)检测电网电压的相位(Vg/|Vg|)、整流单元i输出电压Vi与输入电流iIi，i＝1,2…n；
(2)给定总输出直流电压Vref与总输出电压之差作为电压调节器Gv的输入；
(3)Gv的输出与电网电压的相位(Vg/|Vg|)相乘作为各整流单元输入电流给定值的主要分量igref0；
(4)求出并联型PWM整流器总输入电流后算出平均输入电流I；
(5)平均输入电流I与整流单元i输入电流iIi作差后作为均流调节器GCi的输入，i＝1,2…n；
(6)整流单元i均流调节器GCi的输出与输入电流给定值的主要分量igref0相加之后，再与输入电流iIi作差后的结果作为整流单元i电流调节器GIi的输入；
(7)电流调节器GIi的输出与三角载波比较得到整流单元i全控开关管Si1，Si2，Si3与Si4的驱动信号。
3.基于权利要求1所述前级并联后级并联型模块化AC-DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，对所述DC-DC变换器运行控制包括以下步骤：
(1)采样并联型DC-DC变换器输出电压VD以及各并联单元的输出电流iOi；
(2)给定直流输出电压VDref与输出电压VD作差后的结果作为电压调节器GDV的输入；
(3)GDV的输出作为DC-DC变换器i电流调节器GDIi给定输入的主要分量iDref0，i＝1,2…n；
(4)求出DC-DC变换器输出总电流后算出平均输出电流ID；
(5)平均输出电流ID与DC-DC变换器i输出电流iDi作差后作为均流调节器GDCi的输入；
(6)均流调节器GDCi的输出与电压调节器的输出iDref0相加之后，再与输出电流iDi作差后的结果作为电流调节器GDIi的输入；
(7)电流调节器GDIi的输出与三角载波比较得到全控开关管Ki1，Ki2，Ki3与Ki4的驱动信号。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对所述电压调节器、电流调节器与均流调节器，都采用PI调节器。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，对并联型PWM整流器与并联型DC-DC变换器需同步控制。
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