CN107968570B - 一种具有冗余能力的双极性软开关直流变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有冗余能力的双极性软开关直流变压器，包括一台或多台开关电容串联谐振变压电路单元，每台开关电容串联谐振变压电路单元包括H桥结构的中压侧电路和低压直流侧电路，其中低压直流侧电路包括两个串联的不控整流桥，引出双极性直流电压。多台开关电容串联谐振变压电路单元在中压侧电路串联，在低压侧电路并联。多台开关电容串联谐振变压电路单元使得直流变压器具备冗余能力；交流环节采用软开关谐振，提高直流变压器效率；采用两个不控整流桥引出双极性直流电压，拓展了直流变压器的应用场景，增强了应用能力。

Description

一种具有冗余能力的双极性软开关直流变压器
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及到变压器，特别涉及一种双极性软开关直流变压器。
背景技术
近年来,随着大功率电力电子元器件及其控制技术的发展,通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器――电力电子变压器(PET)得到了越来越多的关注。以美国弗吉尼亚电力电子中心FredC.Lee为首的学者系统地提出了直流变压器的概念。直流变压器在接100％的等效占空比下工作,输出省去了滤波电感,结构简单；采用开环控制,易于实现软开关,可进一步提高开关频率,提高功率密度。既可以直接将DC/DC变压器通过闭环控制应用在调压和需要隔离的直流应用场合，也可以将DC/DC变压器应用在两个直流系统之间，提高分布式和两级结构的电压调整模块以及航空静止变流器等供电系统的效率和功率密度。
在低压小容量领域，DC/DC变换器已经得到比较广泛的应用，对于高频隔离型DC/DC变换器(IBDC)也有了长足发展。但目前的DC/DC变换器会导致直流电容迅速放电，产生较大的过电流；并且故障清除后，需要对直流电容重新充电，使直流系统的动态恢复过程变慢。在能量传输过程中，当两端直流电压与变压器变比不匹配时存在很大的环流，进而导致很大的电流应力、较低的效率，这也是目前限制DC/DC变换器大规模应用的技术瓶颈。而基于双主动全桥(DAB)的多重化直流变压器方案在进行系统级直流组网时，由于直流母线电压会存在波动，使得各子单元两端直流电压与变压器变比不匹配，降低直流变压器的运行效率。
现有技术方案中的双向直流变压器(如图1所示)，采用双主动全桥(DAB)的拓扑结构，虽然这种双向直流变压器可以通过封锁脉冲从故障处切除，不会产生过电流，直流电容也不会放电，故障消失后系统能够快速恢复，但这种双向直流变压器软开关能力不足，需要使用的器件较多，成本高；同时，这种双向直流变压器无法形成双极性低压直流端，限制了其应用能力。
发明内容
解决现有技术方案的缺陷与不足，本发明提出一种具有冗余能力的双极性软开关直流变压器，通过在低压侧采用两个不控整流桥串联，引出双极性直流电压，增强了应用能力。同时，本发明的直流变压器的交流环节采用软开关谐振方案，提高了系统效率。
本发明的直流变压器的技术方案如下：直流变压器包括N个开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC(Switched capacitor series resonant converter)，N为任意正整数。首台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC中压侧通过电感L与中压直流侧的正极相连；第N-1台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第二连接端子与第N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第一连接端子相连；第N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第二连接端子与中压直流侧的负极相连；N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的低压侧均通过两个不控整流桥引出并联的双极性直流电压+VLV、0、－VLV。实现N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC在中压侧串联，低压侧并联。
每台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC包括5个带反并联二极管的开关管S1～S5、8个二极管M1～M8、2个高频隔离变压器T1和T2、2个谐振电容Cs1和Cs2、3个直流电容C1、C2和C3。如图2所示，各元件在中压侧连接成H桥结构，在低压侧构成串联的两个不控整流桥，引出双极性直流电压+VLV、0、－VLV。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1)、当一台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC发生故障，通过旁路故障SCSRC，使得本发明的直流变压器具有冗余能力。
2)、本发明的直流变压器的拓扑结构采用了软开关谐振方案，能够使得开关管始终工作在软开关状态，提高了直流变压器系统效率。
3)、采用了两个不控整流桥引出双极性直流电压，拓展了直流变压器的应用场景，增强了应用能力。
附图说明
图1是现有技术的直流变压器拓扑结构图。
图2是本发明具有冗余能力的双极性软开关直流变压器一个实施例的拓扑结构图。
图3是本发明具有冗余能力的双极性软开关直流变压器另一个实施例的拓扑结构图。
具体实施方式
结合本发明的技术方案和附图进一步叙述本发明的具体实施例。
本发明的具有冗余能力的双极性软开关直流变压器，如图2，3所示。整体双极性软开关直流变压器包括N个开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC(Switched capacitorseries resonant converter)，N为任意正整数。首台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC中压侧通过电感L与中压直流侧的正极相连；第N-1台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第二连接端子与第N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第一连接端子相连；第N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的中压侧第二连接端子与中压直流侧的负极相连；N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的低压侧均通过两个不控整流桥引出并联的双极性直流电压+VLV、0、－VLV。实现N台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC在中压侧串联，低压侧并联。
在第一实施例中，如图2所示。开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC包括5个带反并联二极管的开关管S1～S5、8个二极管M1～M8、2个高频隔离变压器T1和T2、2个谐振电容Cs1和Cs2、3个直流电容C1、C2和C3。开关管S1、S3的集电极、开关管S5的发射极连接于开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的第一端子；开关管S2、S4的发射极、直流电容C1的负极连接于开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的第二端子；开关管S5的集电极连接于直流电容C1的正极；开关管S1的发射极与开关管S2的集电极连接，形成第一连接点；开关管S3的发射极与开关管S4的集电极连接，形成第二连接点；二极管M1、M2串联，二极管M3、M4串联；二极管M1、M3的负极与直流电容C2的正极并联引出直流电压+VLV极；二极管M2、M4的正极与直流电容C2的负极并联引出直流电压0极；二极管M5、M6串联，二极管M7、M8串联；二极管M5、M7的负极与直流电容C3的正极并联引出直流电压0极；二极管M6、M8的正极与直流电容C3的负极并联引出直流电压-VLV极；二极管M1的正极与二极管M2的负极连接形成第三连接点；二极管M3的正极与二极管M4的负极连接形成第四连接点；二极管M5的正极与二极管M6的负极连接形成第五连接点；二极管M7的正极与二极管M8的负极连接形成第六连接点；第一、第二连接点与谐振电容Cs1以及高频隔离变压器T1的高压侧绕组串联连接；第一、第二连接点与谐振电容Cs2以及高频隔离变压器T2的高压侧绕组串联连接；第三、第四连接点与高频隔离变压器T1的低压侧绕组串联连接；第五、第六连接点与高频隔离变压器T2的低压侧绕组串联连接。
当某台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC发生故障时，使能驱动脉冲使得S5一直处于关断状态、S1～S4一直处于闭合状态，则故障SCSRC被旁路，进而整个双极性软开关直流变压器具备冗余特性。
通过开关管S1～S5的PWM调制，可以调节电容C1上的电压，进而开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC两端的直流电压和变压器T1和T2的变比始终匹配，从而使得开关管S1～S4始终工作在软开关状态，进而提高整个双极性软开关直流变压器效率。
同时，整个双极性软开关直流变压器低压侧采用两个不控整流桥串联，引出双极性直流电压+VLV、0、-VLV，使得直流变压器的应用场景得到拓展，增强了应用能力。
在另一个实施例中，除了上述实施例拓扑结构以外，本发明的双极性软开关直流变压器的交流环节还可以由一个三绕组高频变压器T和一个谐振电容Cs组成，如图3所示。每一台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC仍然包括5个带反并联二极管的开关管S1～S5、8个二极管M1～M8以及3个直流电容C1、C2和C3。第一、第二连接点与谐振电容Cs以及高频隔离变压器T的高压侧绕组串联连接；第三、第四连接点与高频隔离变压器T的低压侧第一绕组串联连接；第五、第六连接点与高频隔离变压器T的低压侧第二绕组串联连接。
上述实施例的具有冗余能力的双极性软开关直流变压器，通过在低压侧采用两个不控整流桥串联，引出双极性直流电压，增强了应用能力。多台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的结构设计，具备了冗余能力；同时，直流变压器的交流环节采用软开关谐振方案，提高了系统效率。
尽管根据上述实施例描述了本发明，但所属技术领域的技术人员应该理解，可以在所附权利要求的精神和范围内通过修改实现本发明。所有这些变化和修改都旨在落入所附权利要求的范围内。因此，示例和附图被视为是示例性的而非限制性的。

Claims (3)

1.一种软开关直流变压器，包括一台或多台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC，所述开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC包括H桥结构的中压侧直流电路和低压直流侧电路，其特征在于：低压直流侧电路包括两个串联的不控整流桥，引出双极性直流电压；
多台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC中首台SCSRC中压侧直流电路第一连接端通过电感L与中压直流侧的正极相连；第N-1台SCSRC的中压侧直流电路第二连接端子与第N台SCSRC的中压侧直流电路第一连接端子相连；第N台开关电容串联谐振变换器SCSRC的中压侧直流电路第二连接端子与中压直流侧的负极相连；形成中压直流侧电路串联结构，其中N为大于等于2的正整数；
每台所述开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的H桥结构的中压侧直流电路包括5个带反并联二极管的开关管S1～S5、1个直流电容C1；所述开关管S1、S3的集电极、所述开关管S5的发射极连接于所述开关电容串联谐振变换器SCSRC的第一端子；所述开关管S2、S4的发射极、所述直流电容C1的负极连接于所述开关电容串联谐振变换器SCSRC的第二端子；所述开关管S5的集电极连接于所述直流电容C1的正极；所述开关管S1的发射极与所述开关管S2的集电极连接，形成第一连接点；所述开关管S3的发射极与所述开关管S4的集电极连接，形成第二连接点；
当某台开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC发生故障时，使能驱动脉冲使得开关管S5一直处于关断状态、开关管S1～S4一直处于闭合状态，则故障开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC被旁路。
2.如权利要求1所述的软开关直流变压器，其特征在于：每台所述开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的低压直流侧电路包括8个二极管M1～M8，2个高频隔离变压器T1和T2，2个谐振电容Cs1和Cs2、以及2个直流电容C2、C3，形成两个串联的不控整流桥，引出双极性直流电压；
所述二极管M1、M2串联，所述二极管M3、M4串联；所述二极管M1、M3的负极与所述直流电容C2的正极并联引出直流电压+VLV极；所述二极管M2、M4的正极与所述直流电容C2的负极并联引出直流电压0极；所述二极管M5、M6串联，所述二极管M7、M8串联；所述二极管M5、M7的负极与所述直流电容C3的正极并联引出直流电压0极；所述二极管M6、M8的正极与所述直流电容C3的负极并联引出直流电压-VLV极；所述二极管M1的正极与所述二极管M2的负极连接形成第三连接点；所述二极管M3的正极与所述二极管M4的负极连接形成第四连接点；所述二极管M5的正极与所述二极管M6的负极连接形成第五连接点；所述二极管M7的正极与所述二极管M8的负极连接形成第六连接点；
所述第一连接点、第二连接点与所述谐振电容Cs1以及所述高频隔离变压器T1的高压侧绕组串联连接；所述第一连接点、第二连接点与所述谐振电容Cs2以及所述高频隔离变压器T2的高压侧绕组串联连接；所述第三连接点、第四连接点与所述高频隔离变压器T1的低压侧绕组串联连接；所述第五连接点、第六连接点与所述高频隔离变压器T2的低压侧绕组串联连接。
3.如权利要求1所述的软开关直流变压器，其特征在于：每台所述开关电容串联谐振变换电路单元SCSRC的低压直流侧电路包括8个二极管M1～M8，1个高频隔离变压器T，一个谐振电容Cs，以及2个直流电容C2、C3，形成两个串联的不控整流桥，引出双极性直流电压；
所述二极管M1、M2串联，所述二极管M3、M4串联；所述二极管M1、M3的负极与所述直流电容C2的正极并联引出直流电压+VLV极；所述二极管M2、M4的正极与所述直流电容C2的负极并联引出直流电压0极；所述二极管M5、M6串联，所述二极管M7、M8串联；所述二极管M5、M7的负极与所述直流电容C3的正极并联引出直流电压0极；所述二极管M6、M8的正极与所述直流电容C3的负极并联引出直流电压-VLV极；所述二极管M1的正极与所述二极管M2的负极连接形成第三连接点；所述二极管M3的正极与所述二极管M4的负极连接形成第四连接点；所述二极管M5的正极与所述二极管M6的负极连接形成第五连接点；所述二极管M7的正极与所述二极管M8的负极连接形成第六连接点；
所述第一连接点、第二连接点与所述谐振电容Cs以及所述高频隔离变压器T的高压侧绕组串联连接；所述第三连接点、第四连接点与所述高频隔离变压器T的低压侧第一绕组串联连接；所述第五连接点、第六连接点与所述高频隔离变压器T的低压侧第二绕组串联连接。
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