CN106059305A - 一种混合型直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型直流变换器，由高频谐振变换器和双主动桥型变换器并联构成，高频谐振变换器和双主动桥型变换器首尾顺次相连，所述高频谐振变换器包括全桥逆变器A、高频变压器和无控整流桥；所述全桥逆变器A和无控整流桥分别接在高频变压器首尾两端；所述双主动桥型直流变换器包括全桥逆变器B及中频变压器和全控整流桥；所述全桥逆变器B和全控整流桥分别接在中频变压器首尾两端。本发明结合了高频谐振变换器与双主动桥型直流变换器的优点，考虑高频谐振电容的电流能力，高频谐振变换器仅承担箝位端电压的作用，大功率电能传输完全依赖于双主动桥型直流变换器，保证了端电压的稳定和功率传输能力，变换器整体采用闭环PI控制策略。

Description

一种混合型直流变换器
技术领域
本发明涉及一种直流变换器，具体涉及一种混合型直流变换器。
背景技术
随着社会发展速度的日益加快，人类对能源的需求不断提高，化石能源的日益枯竭与社会发展对能源的高需求之间的矛盾，迫使人们越来越关注可再生能源的开发和利用。利用分散的风能、太阳能、海洋能等等可再生能源，因地制宜发展分布式发电(Distributed Generation，DG)，是实现“清洁代替”和“电能代替”的重要途径。同时中国光伏发电容量也将达到4GW。但受限于电力系统消纳能力，大部分可再生能源未得到有效利用，甚至出现“弃风”、“弃光”现象；另一方面风电、太阳能等新能源发电具有间歇性、随机性特点，属于间歇式电源。随着各种大规模可再生能源接入电网，传统的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面越来越力不从心，为此必须采用新技术、新装备和新电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。
直流电能换技术能够将新能源发电生产的电能转换为稳定的高频电能，从而并入交直流混合式的新型电网。是解决分布式发电间歇性、随机性问题的良好方案。随着新能源发电在我国的不断兴起，适用于高频大功率场合的直流变换器也越来越受到人们的重视，近年来发展速度十分迅速。
现有的高频直流变换器的拓扑结构主要有移向全桥变换器，LLC型高频谐振变换器以及DAB型直流变换器。针对以上三种变换器，各国学者已进行了大量的研究，然而这三种直流变换器拓扑都有各自的缺陷。移相全桥变换器的软开关(Soft-switching)特性较差，很难保证变换器整体的高效性。LLC型谐振变换器可保证全负载范围内的软开关特性，并具有恒压调节能力，但在高频情况下，功率传输受到谐振电容电流能力的限制。而DAB型变换器的功率传输依赖于稳定的端电压，因此，此类变换器的控制环节往往十分复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种混合型直流变换器，由高频谐振变换电路箝位两端电压，并依靠双主动桥型直流变换器承担大功率传输，在保证功率传递能力的同时，简化了控制策略，又提高了变换器的整体性能，采用高频谐振变换器与双主动桥型直流变换器相并联的混合式结构。其中，高频谐振变换器并不承担大功率电能传输，只起到箝位两端电压的作用，保证变换器整体端电压的恒定。在此前提下，通过改变双主动桥型变换器前后桥臂对应开关管的移向角度，调节整体变换装置的功率传输能力。高频谐振变换器可实现开关管的软开关工作模式，因此采用高频变压器进行电气隔离，在保证效率的同时，也提高了变换器的功率密度。双主动桥型直流变换器在大功率条件下仅能实现零电压开通的工作模式(ZVS)。因此，采用中频变压器作为隔离环节，使得大功率电能传输时的损耗较低。两台变换器之间采用一个简单的PI控制环作为联系，给高频谐振变换器的输出电流设定一个额定的参考值iref，并对其进行采样。当高频谐振变换器的输出电流io超过参考值时，将该信号Δi反馈给中央控制系统，系统会对双主动桥型变换器的开关管信号进行调节，以增大双主动桥型变换器前后桥臂对应开关管的移向角度φ，将高频谐振变换器的输出电流控制在参考值，从而实现高频谐振变换器功率传递的恒定。变换器的输入/输出电压等级为760V～760V，广泛适用于目前分布式发电的直流电能传输应用场合。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种混合型直流变换器，由高频谐振变换器和双主动桥型变换器并联构成，高频谐振变换器和双主动桥型变换器首位顺次相连，所述高频谐振变换器包括全桥逆变器A、高频变压器和无控整流桥；所述全桥逆变器A和无控整流桥分别接在高频变压器首尾两端；所述双主动桥型直流变换器包括全桥逆变器B及中频变压器和全控整流桥；所述全桥逆变器B和全控整流桥分别接在中频变压器首尾两端。
其中，所述全桥逆变器A由一个足够大的输入稳压电容Cin1和四个IGBT开关管S11、S12、S13、S14构成；所述S11和S12串联后，再与S13和S14串联后的桥臂并联；S11直接与高频变压器连接。
其中，所述的高频变压器由一个谐振电容Cr，一个谐振电感Lr，一次侧励磁电感Lm以及一个理想变压器组成；谐振电容与谐振电感串联，励磁电感并联在理想变压器一次侧，从理想变压器二次侧两端引出输出端；高频变压器4前端与全桥逆变器A相连，后端与无控整流桥相连构成高频谐振变换器。
其中，所述无控整流桥包括由二极管D11、D12串联构成的前桥臂和由二极管D13、D14串联构成的后桥臂，前桥臂和后桥臂并联，两个桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连；所述无控整流桥后端与输出滤波电容Cout1相连。
其中，所述全桥逆变器B包括由IGBT开关管S21与S22串联构成的第一桥臂和由IGBT开关管S23和S24串联构成的第二桥臂；第一桥臂和第二桥臂并联，所述第一桥臂和第二桥臂的中点与中频变压器的一次侧连接。
其中，所述的中频变压器为实际设备的等效结构，由励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感L串联组成。
其中，所述的全控整流桥包括由IGBT开关管S25与S26串联构成的第三桥臂，由IGBT开关管S27和S28串联构成的第四桥臂；第三桥臂和第四桥臂并联，第三桥臂和第四桥臂的中点与高频变压器二次侧的两个引出线分别相连，所述全桥逆变器的两个桥臂中点与中频变压器的二次侧连接；后端与输出滤波电容Cout2相连。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的混合型高频直流变换器能够在全负载范围内实现高频谐振变换器中逆变器主动式开关管的零电压开通ZVS，后端整流桥二极管的零电流关断ZCS，可以大大降低开关损耗；
本发明提供的混合型高频直流变换器，由于采用了高频谐振变换器1与双主动桥型直流变换器相并联的拓扑结构，保证了变换器整体两端电压的恒定和传输功率的稳定；
本发明提供的混合型高频直流变换器采用的PI闭环控制策略，能够保证变换器内部功率的理想分配。即，高频谐振变换器传输功率恒定不变，剩余部分功率传输由双主动桥型直流变换器承担；
本发明提供的混合型高频直流变换器中的高频谐振变换器采用较高的开关频率，使得功率传递效率更高，可有效地减小变换器的体积，提高了功率密度；
本发明提供的混合型高频直流变换器中的双主动桥型直流变换器端电压可由高频谐振变换器箝位，在保证功率稳定传递的同时也简化了控制策略。
本发明提供的混合型高频直流变换器同时具备了高频谐振变换器和双主动桥型直流变换器的优点，效率和可靠性都有了一定的提升。
附图说明
图1是本发明实施例一种混合型直流变换器的基本系统结构图。
图2是本发明实施例一种混合型高频直流变换器的电路拓扑结构图。
图3是本发明实施例一种混合型高频直流变换器的控制策略框图。
图4是本发明实施例一种混合型高频直流变换器的高频谐振变换器拓扑结构图。
图5是本发明实施例混合型高频直流变换器的双主动桥型直流变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-5所示，本发明实施例提供了一种混合型直流变换器，由高频谐振变换器1和双主动桥型变换器2并联构成，高频谐振变换器1和双主动桥型变换器2首位顺次相连。其中，高频谐振变换器1的主要作用为箝位整体变换器端电压；双主动桥型直流变换器2主要作用为承担大功率电能传输。所述高频谐振变换器1包括全桥逆变器A3、高频变压器4和无控整流桥5；所述全桥逆变器A3和无控整流桥5分别接在高频变压器4首尾两端；所述双主动桥型直流变换器2包括全桥逆变器B6及中频变压器7和全控整流桥8；所述全桥逆变器B6和全控整流桥8分别接在中频变压器7首尾两端。
如图3所示，对高频谐振变换器1的输出电流io采样，将采样值与参考值iref做差后得到的Δi输入PI控制器中。产生双主动桥型直流变换器2前后桥臂对应开关管的移向角φ，及时该变换器传输功率的大小。从而保证高频谐振变换器1传输功率的恒定。
所述全桥逆变器A3由一个足够大的输入稳压电容Cin1和四个IGBT开关管S11、S12、S13、S14构成；所述S11和S12串联后，再与S13和S14串联后的桥臂并联；S11直接与高频变压器4连接。
所述的高频变压器4由一个谐振电容Cr，一个谐振电感Lr，一次侧励磁电感Lm以及一个理想变压器组成；谐振电容与谐振电感串联，励磁电感并联在理想变压器一次侧，从理想变压器二次侧两端引出输出端；高频变压器4前端与全桥逆变器A3相连，后端与无控整流桥5相连构成高频谐振变换器1。
所述无控整流桥5包括由二极管D11、D12串联构成的前桥臂和由二极管D13、D14串联构成的后桥臂，前桥臂和后桥臂并联，两个桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连；所述无控整流桥5后端与输出滤波电容Cout1相连。
所述全桥逆变器B6包括由IGBT开关管S21与S22串联构成的第一桥臂和由IGBT开关管S23和S24串联构成的第二桥臂；第一桥臂和第二桥臂并联，所述第一桥臂和第二桥臂的中点与中频变压器7的一次侧连接。
所述的中频变压器7为实际设备的等效结构，由励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感L串联组成。
所述的全控整流桥8包括由IGBT开关管S25与S26串联构成的第三桥臂，由IGBT开关管S27和S28串联构成的第四桥臂；第三桥臂和第四桥臂并联，第三桥臂和第四桥臂的中点与高频变压器二次侧的两个引出线分别相连，所述全控整流桥8的两个桥臂中点与中频变压器7的二次侧连接；后端与输出滤波电容Cout2相连。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种混合型直流变换器，其特征在于，由高频谐振变换器(1)和双主动桥型变换器(2)并联构成，高频谐振变换器(1)和双主动桥型变换器(2)首位顺次相连，所述高频谐振变换器(1)包括全桥逆变器A(3)、高频变压器(4)和无控整流桥(5)；所述全桥逆变器A(3)和无控整流桥(5)分别接在高频变压器(4)首尾两端；所述双主动桥型直流变换器(2)包括全桥逆变器B(6)及中频变压器(7)和全控整流桥(8)；所述全桥逆变器B(6)和全控整流桥(8)分别接在中频变压器(7)首尾两端。
2.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述全桥逆变器A(3)由一个足够大的输入稳压电容Cin1和四个IGBT开关管S11、S12、S13、S14构成；所述S11和S12串联后，再与S13和S14串联后的桥臂并联；S11直接与高频变压器(4)连接。
3.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述的高频变压器(4)由一个谐振电容Cr，一个谐振电感Lr，一次侧励磁电感Lm以及一个理想变压器组成；谐振电容与谐振电感串联，励磁电感并联在理想变压器一次侧，从理想变压器二次侧两端引出输出端；高频变压器(4)前端与全桥逆变器A(3)相连，后端与无控整流桥(5)相连构成高频谐振变换器(1)。
4.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述无控整流桥(5)包括由二极管D11、D12串联构成的前桥臂和由二极管D13、D14串联构成的后桥臂，前桥臂和后桥臂并联，两个桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连；所述无控整流桥(5)后端与输出滤波电容Cout1相连。
5.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述全桥逆变器B(6)包括由IGBT开关管S21与S22串联构成的第一桥臂和由IGBT开关管S23和S24串联构成的第二桥臂；第一桥臂和第二桥臂并联，所述第一桥臂和第二桥臂的中点与中频变压器(7)的一次侧连接。
6.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述的中频变压器(7)为实际设备的等效结构，由励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感L串联组成。
7.如权利要求1所述的混合型直流变换器，其特征在于，所述的全控整流桥(8)包括由IGBT开关管S25与S26串联构成的第三桥臂，由IGBT开关管S27和S28串联构成的第四桥臂；第三桥臂和第四桥臂并联，第三桥臂和第四桥臂的中点与高频变压器二次侧的两个引出线分别相连，所述全控整流桥(8)的两个桥臂中点与中频变压器(7)的二次侧连接；后端与输出滤波电容Cout2相连。
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