CN107546975A - 一种隔离型高压dc/ac变换器及其宽范围调压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离型高压DC/AC变换器及其宽范围调压控制方法，包括多个串联的模块，每个模块包括依次连接的半桥结构的变换器、H桥逆变器和输出隔离变压器，高压直流电压接在所述多个串联的模块的输入端，所述多个模块的所有变压器串联后经过LC滤波器输出交流电压连接于单相负载的两端；每个半桥结构的变换器包括一个电容，所述电容与由两个IGBT串联而成的串联支路并联；所述H桥逆变器包括第一～第四IGBT，每个IGBT与一个二极管反向并联，第一、第二IGBT串联；第三、第四IGBT串联。本发明可以使得各子模块电压稳定在预期电压，稳压效果好。

Description

一种隔离型高压DC/AC变换器及其宽范围调压控制方法
技术领域
本发明涉及一种隔离型高压DC/AC变换器及其宽范围调压控制方法，适用于高压直流到高压交流变换的应用场合。
背景技术
在大功率DC/AC变换场合，受单个开关器件发展水平限制，如何选择合适的高耐压开关器件是目前研究人员所面临的挑战之一。例如在我国船舶供电系统中，普遍采用850-1250V直流供电，高速电气化铁路供电系统中供电直流母线高达2160-2600V,如此高压的应用场合使得开关器件选型有限且价格昂贵。由于目前电力电子开关器件性能水平达到了瓶颈，所以只能从优化拓扑结构和控制方式入手解决问题，因此研究多模块串联结构的变换器拓扑具有重要意义。
多个功率器件直接串联可以满足高压需求，但是会带来均压的问题，因此需要额外的电路实现器件均压，这就增加了装置的成本。将多个功率变换器模块串联使用也是一种降低单个器件的电压应力的有效办法，如果在输入端输入电压为Udc,串联n个变换器模块，则每个模块承受的电压为Udc/n，当变换器个数n足够时，可以大大降低每个模块承受的电压应力，从而选取到合适的开关器件。此外由于采用模块化设计，非常易于扩展和冗余设计，提高系统的可靠性。根据应用的场合，多个模块串联输入的拓扑输出端可以分为两种，一种是输入串联输出并联，另一种是输入串联输出串联。输入串联输出并联的结构适用于较低电压大电流场合，而输入串联输出串联则适用于高电压输出的场合。
对于单模块内部结构，传统的输入串联输出串联的各模块采用了隔离的两级式结构：DC-DC变换和DC-AC逆变，其中DC-DC变换采用了全桥隔离拓扑，DC-AC采用全桥逆变。其中DC-DC变换采用的全桥隔离拓扑需要4个IGBT器件和4个快恢复二极管共8个器件，这就增加了DC-DC变换的开关损耗和装置成本。因此研究开关器件较少、控制更简单的拓扑结构具有十分重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种隔离型高压DC/AC变换器及其宽范围调压控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种隔离型高压DC/AC变换器，包括多个串联的模块，每个模块包括依次连接的半桥结构的变换器、H桥逆变器和输出隔离变压器，高压直流电压接在所述多个串联的模块的输入端，所述多个模块的所有变压器串联后经过LC滤波器输出交流电压连接于单相负载的两端；每个半桥结构的变换器包括一个电容，所述电容与由两个IGBT串联而成的串联支路并联，所述串联支路作为高压直流输入端，当当前模块的上IGBT即Vai1通时，与当前模块相连的下一模块的电容投入，输入电压为Udci；其中，i表示第i个模块；当当前模块的下IGBT即Vai2开通时，电容被旁路，此时与当前模块相连的下一模块的输入电压为0；所述多个串联的模块的输入电压的和为高压直流侧的电压Udc；所述H桥逆变器包括第一～第四IGBT，每个IGBT与一个二极管反向并联，第一、第二IGBT串联；第三、第四IGBT串联；当第一IGBT和第四IGBT开通时，在变压器侧输出高电平Udci，当第二IGBT和第三IGBT开通时，在变压器侧输出负电平-Udci。
相应的，本发明还提供了一种隔离型高压DC/AC变换器宽范围调压控制方法，包括以下步骤：
1)当控制周期信号使能时，检测所有模块直流侧电容电压Udci，然后对各模块直流侧电容电压由低到高进行排序，并储存排序的序号；
2)根据需要投入的模块数指令值N*和排序的序号，投入电压较低的N*个模块，即将电压较低的N*个模块的Vai1打开，Vai2关闭，其余的模块切除，即将剩余电压较高的模块Vai1关闭，Vai2打开，其中i表示第i个模块。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明采用了输入串联输出串联的结构，实现高压直流输入，高压交流输出的功能，且易于扩展和冗余设计，提高系统的可靠性。采用了半桥结构的DC变换器，仅需两个IGBT器件，相较于传统的变换方式，每个模块节约了6个电力电子开关器件，从而降低了装置的成本和开关损耗，提高了装置的整体效率。采用了一种宽范围调压控制方法，通过采样各子模块半桥直流侧电容电压进行从小到大的排序后，根据需要投入的子模块个数指令，在每个控制周期中，投入电压最低的指令个数模块，由于控制频率很高，可以使得各子模块电压稳定在预期电压，稳压效果好。
附图说明
图1为隔离型高压DC/AC变换器结构示意图；
图2为隔离型高压DC/AC变换器的宽范围调压控制方法流程图；
图3为单极倍频载波移相调制示意图。
具体实施方式
图1为该隔离型高压DC/AC(直流/交流)变换器，其由多个模块串联而成，每个模块由一个半桥结构的变换器，与之串联H桥逆变器和逆变后的输出隔离变压器共3部分构成，高压直流电压接在串联的模块的输出端，多个模块的变压器串联后经过LC滤波器输出交流电压连接于单相负载的两端。其特征在于，每个半桥结构的变换器包含由一个电容、两个IGBT及其反向并联的二极管构成，多个半桥的串联作为高压直流输入端，当上IGBT即Vai1开通时，子模块的电容投入，输入电压为Udci,其中i是第i个模块；当下IGBT即Vai2开通时，电容倍旁路，此时输入子模块电压为0，所以通过控制IGBT的通断可控制每个模块的输入电压，多个串联投入的半桥模块的输入电压的和为高压直流侧的电压Udc，由于高压直流电压维持恒定，所以投入不同的模块数，则每个模块的直流电容电压就不同；如图2所示，为宽范围调压控制方法流程图。当控制周期信号使能时，检测所有模块直流侧电容电压Udci，其中i＝0,1,2…n对各模块电压进行由低到高排序，并将Udci排序的序号储存起来；根据需要投入的模块数指令值N*和排序的序号，投入电压较低的N*个模块，即将电压较低的N*个模块的Vai1打开，Vai2关闭。其余的模块切除，即将剩余电压较高的模块Vai1关闭，Vai2打开。其中i表示第i个模块，完成一次控制周期；等待下一次的控制周期信号使能信号时，重新开始采样并排序。由于控制频率很高，可以使得各子模块电压稳定在预期电压。预期电压与投入的模块数有关，设高压直流侧电压为Udc，一共有n个子模块，投入i个子模块，则每个模块直流侧电容电压的理论值为但是由于高压直流侧输入电压源有内阻会分压，所以实际稳压的值可能与理论计算略有偏差。从稳压的理论值可以看出，经过半桥结构的DC变换器相当于对模块直流侧电容电压进行分级调节，投入不同模块个数，例如，投入n个到1个模块时，电容电压分别对应为：故该控制方法单模块直流侧电容电压调压范围为：
与半桥结构串联的H桥逆变器由4个IGBT及与之反向并联的二极管构成，当Vb1和Vb4开通时，在变压器侧输出高电平Udci，当Vb2和Vb3开通时，在变压器侧输出负电平-Udci；将各模块的H桥经过变压器串联后接到LC型滤波器最后输出，其中，输出端通过变压器串联的H桥由载波移相调制的方法产生交流电压，变压器起到隔离的作用。H桥逆变采用的是单极倍频载波移相调制，如图3所示，具体描述为，设一共有n个模块，则需要n个三角载波，每个载波之间错开相位，以第一个载波为起点，则第二个载波与第一个载波错开度，第三个与第一个载波错开度，依次类推，第n个模块的载波与第一个载波错开度。针对H桥的左右两个桥臂，将调制波与n个移相的载波调制后分别送入n各模块的左桥臂。将调制波反向后与同样的n个载波调制后送入H桥的右桥臂。从而产生多电平的交流信号，经隔离变压器串联后通过LC滤波后变成光滑的正弦波后，输出提供负载使用。

Claims (4)

1.一种隔离型高压DC/AC变换器，包括多个串联的模块，每个模块包括依次连接的半桥结构的变换器、H桥逆变器和输出隔离变压器，高压直流电压接在所述多个串联的模块的输入端，所述多个模块的所有变压器串联后经过LC滤波器输出交流电压连接于单相负载的两端；其特征在于，每个半桥结构的变换器包括一个电容，所述电容与由两个IGBT串联而成的串联支路并联，所述串联支路作为高压直流输入端，当当前模块的上IGBT即Vai1通时，与当前模块相连的下一模块的电容投入，输入电压为Udci；其中，i表示第i个模块；当当前模块的下IGBT即Vai2开通时，电容被旁路，此时与当前模块相连的下一模块的输入电压为0；所述多个串联的模块的输入电压的和为高压直流侧的电压Udc；所述H桥逆变器包括第一～第四IGBT，每个IGBT与一个二极管反向并联，第一、第二IGBT串联；第三、第四IGBT串联；当第一IGBT和第四IGBT开通时，在变压器侧输出高电平Udci，当第二IGBT和第三IGBT开通时，在变压器侧输出负电平-Udci。
2.根据权利要求1所述的隔离型高压DC/AC变换器，其特征在于，所述H桥逆变器采用单极倍频载波移相调制方法，设一共有n个模块，则需要n个三角载波，每个载波之间错开相位，以第一个载波为起点，则第二个载波与第一个载波错开度，第三个与第一个载波错开度，依此类推，第n个模块的载波与第一个载波错开度；针对H桥逆变器的左右两个桥臂，将调制波与n个移相的载波调制后分别送入n个模块的左桥臂，将调制波反向后与同样的n个载波调制后送入H桥的右桥臂，从而产生多电平的交流信号，经隔离变压器串联后通过LC滤波后变成光滑的正弦波后，输出提供负载使用。
3.一种权利要求1所述隔离型高压DC/AC变换器宽范围调压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当控制周期信号使能时，检测所有模块直流侧电容电压Udci，然后对各模块直流侧电容电压由低到高进行排序，并储存排序的序号；
2)根据需要投入的模块数指令值N*和排序的序号，投入电压较低的N*个模块，即将电压较低的N*个模块的Vai1打开，Vai2关闭，其余的模块切除，即将剩余电压较高的模块Vai1关闭，Vai2打开，其中i表示第i个模块。
4.根据权利要求3所述的隔离型高压DC/AC变换器宽范围调压控制方法，其特征在于，所述直流侧电容电压调压范围为其中，n为模块个数。
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