CN109617433A - 中、高压直流输入辅助供电电源拓扑 - Google Patents

中、高压直流输入辅助供电电源拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种新型的中、高压直流输入的辅助供电电源拓扑结构。包括中、高压输入直流母线PQ，n个输入直流支撑电容，n个半桥桥臂，n‑1个能量交换支路；n个输入直流支撑电容依次串联于中、高压直流母线PQ之间：n个半桥桥臂依次串联于中、高压直流母线PQ之间；并且，n个半桥桥臂分别与n个直流支撑电容依次并联；n‑1个能量交换支路的两端分别与n个半桥桥臂的中点依次连接。本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑能够实现恒变比直流输出，且输入侧串联分压电容可以自动实现电压均衡，无需采用额外的电压平衡控制策略。

Description

中、高压直流输入辅助供电电源拓扑
技术领域
本发明属于电源技术领域，具体涉及一种新型的中、高压直流输入的辅助供电电源拓扑结构，适合作为电力电子变压器，模块化多电平变换器，级联型变换器等具有中、高压直流母线的模块化变流装置的辅助供电电源。
背景技术
在高压、大功率模块化电力电子变流装置中，驱动电路，控制电路，保护电路以及检测电路等均需要独立于主功率回路的辅助供电电源对其进行供电。辅助供电电源是维持电力电子变流装置正常启动、运行和保护的基本电源设备。根据取电方式的不同，辅助供电电源的供电方案可以大致分为两类：集中式供电方案和分布式供电方案。集中式供电方案是从一个集中的电压母线处取电，经过电气隔离和电能变换后，得到所需的输出电压，再分别送至不同负载(如驱动、控制电路等)并为其供电。分布式供电方案则是从离负载较近或与负载有直接电气联系的母线上取电，经相应的电气隔离和电能变换后，得到所需的输出电压，并为相应的负载供电。对于大功率模块化电力电子变流装置，由于其具有高压、大功率以及模块化的特点，如果采用集中式供电方案，从外部电源处取电，则会影响系统的布局和走线，不利于系统的模块化集成度和可插拔性；而分布式供电是从各模块的直流母线处直接取电，并作为该模块的辅助供电电源进行供电，更有利于模块的集成化设计，因此，分布式供电方案对于高压、大功率电力电子变流装置的模块化设计更为有利。
现有技术中，当采用分布式供电方案作为高压、大功率模块化电力电子变流装置的辅助电源方案时，辅助电源的直流输入电压母线的电压等级通常较高，若在辅助电源中采用高压开关器件，则会产生巨大的成本。为了尽可能节约成本，需要使用低压开关器件替换高压开关器件，目前使用低压开关器件替换高压开关器件最常见的两种方法为开关器件串联法和模块串联分压法。方法一为通过多个开关器件串联来均分直流母线电压，从而降低开关器件的电压应力。但是，开关器件的串联均压控制策略比较复杂，且可靠性较低，不适合用于辅助供电电源中；方法二为通过多个变换器模块输入串联而成，各变换器模块均分输入母线电压。该方法需要解决各串联模块间的电压平衡问题，若输入直流母线电压较高，所需的串联模块数量增多，控制成本及控制复杂性提升，辅助供电电源的可靠性也随之降低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，该拓扑可以实现恒变比直流输出，且输入侧串联分压电容可以自动实现电压均衡，无需采用额外的电压平衡控制策略。
本发明采取的技术方案是：
一种中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，包括：中、高压输入直流母线PQ，n个输入直流支撑电容，n个半桥桥臂，n-1个能量交换支路，其中，所述中、高压输入直流母线PQ间的电压为Vin，Vin的取值通常大于1kV，且(Vr为所采用的半桥桥臂中的开关管的额定工作电压)；
所述n个输入直流支撑电容Ci1、Ci2、…、Cin依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间：
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)、(Sp2a，Sp2b)、…、(Spna，Spnb)，依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间；
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)中的每个半桥桥臂和所述n个输入直流支撑电容Ci1，Ci2，…，Cin中的每个输入直流支撑电容一一对应并依次并联；
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)包括n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn；所述n-1个能量交换支路E1，E2，…，En-1的两端分别与n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn依次连接。
在上述方案的基础上，每个桥臂的上下开关管均采用50％占空比的互补方波脉冲，且各桥臂的脉冲时序完全同步。
在上述方案的基础上，所述n-1个能量交换支路的结构为：
每一个能量交换支路均由电感构成，所述n-1个能量交换支路分别为电感L1，L2，…，Ln-1；或者
每一个能量交换支路均由电容构成，所述n-1个能量交换支路为电容C1，C2，…，Cn-1；或者
每一个能量交换支路均由电感和电容串联构成，所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)。
在上述方案的基础上，当所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)时，控制桥臂开关管的开关频率与能量交换支路中电感和电容的谐振频率相同，以实现桥臂开关管的零电流开通和零电流关断。
在上述方案的基础上，所述n个输入直流支撑电容均分所述中、高压输入直流母线PQ的电压，每一个输入直流支撑电容作为输出电容，输出电压为Vin/n。
在上述方案的基础上，所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑能够用于为具有直流母线的模块化电力电子变流装置提供辅助供电电源；
所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置包括电力电子变压器、模块化多电平变换器或模块化级联变换器。
在上述方案的基础上，将所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑中的中、高压输入直流母线PQ和所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置相连，并为所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置中相应的功率模块的驱动或控制电源供电。
本发明的有益效果如下：
1)本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑采用输入电容串联的结构，能够降低每个电容的电压应力，进而降低电容后所接开关器件的电压应力，节约辅助供电电源成本；
2)本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑的输入串联电容能够实现输入侧的自均压，无需采用额外的电压平衡控制策略，电源可靠性高，适合用于中、高压直流输入的场合；
3)在本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑结构中，各桥臂开关管所需的驱动信号均为固定占空比的脉冲，从而简化了控制系统设计；
4)本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑结构可以直接从模块的直流母线处取电，并为该模块的辅助电源供电，提升了大功率变流装置的模块化程度。
附图说明
图1是一种典型电力电子变压器的拓扑原理图；
图2是本发明实施例中的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑原理图；
图3是是本发明实施例中应用于中、高压直流输入辅助供电电源拓扑的3种能量交换支路原理图；
图4是是本发明实施例中拓扑的能量流动示意图；
图5是将本发明实施例中的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑用作电力电子变压器辅助供电电源的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
针对现有技术中，采用分布式供电方案作为高压、大功率模块化电力电子变流装置的辅助电源方案时，辅助电源的直流输入电压母线的电压等级通常较高，若在辅助电源中采用高压开关器件，则会产生巨大的成本的技术问题；以及针对现有技术中使用低压开关器件替换高压开关器件的两种方法所存在的以下技术问题：方法一通过多个开关器件串联来均分直流母线电压，开关器件的串联均压控制策略比较复杂，且可靠性较低，不适合用于辅助供电电源中；方法二为通过多个变换器模块输入串联而成，各变换器模块均分输入母线电压，该方法需要解决各串联模块间的电压平衡问题，若输入直流母线电压较高，所需的串联模块数量增多，控制成本及控制复杂性提升，辅助供电电源的可靠性也随之降低。
本发明提供一种中、高压直流输入辅助供电电源拓扑的实施例，如图2所示，在本实施例中，中、高压直流输入辅助供电电源拓扑包括：中、高压输入直流母线PQ，n个输入直流支撑电容，n个半桥桥臂，n-1个能量交换支路；其中，PQ间的电压为Vin；其中，所述中、高压输入直流母线PQ间的电压为Vin，Vin的取值通常大于1kV，且(Vr为所采用的半桥桥臂中的开关管的额定工作电压)。
所述n个输入直流支撑电容Ci1、Ci2、…、Cin依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间：
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)、(Sp2a，Sp2b)、…、(Spna，Spnb)，依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间；
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)和所述n个输入直流支撑电容Ci1，Ci2，…，Cin依次并联；
在本实施例中，具体地，半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)和输入直流支撑电容Ci1并联，半桥桥臂(Sp2a，Sp2b)和输入直流支撑电容Ci2并联，…，半桥桥臂(Spna，Spnb)和输入直流支撑电容Cin并联；
n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)包括n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn；所述n-1个能量交换支路E1，E2，…，En-1的两端分别与n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn依次连接。
其中，在本实施例中，m1设置于半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)之间，m2设置于半桥桥臂(Sp2a，Sp2b)之间，…，mn设置于半桥桥臂(Spna，Spnb)之间；
在本实施例中，能量交换支路E1的两端分别与半桥桥臂的中点m1，m2连接；能量交换支路E2的两端分别与半桥桥臂的中点m2，m3连接，…，能量交换支路En-1的两端分别与半桥桥臂的中点mn-1，mn连接；
图3(a)-(c)是n-1个能量交换支路可以采用的3种结构，结构1：能量交换支路由电感构成，所述n-1个能量交换支路为L1，L2，…，Ln-1；结构2：能量交换支路由电容构成，所述n-1个能量交换支路为C1，C2，…，Cn-1；结构3：能量交换支路由电感和电容串联构成，所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)；
优选地，当所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)时，控制桥臂开关管的开关频率与能量交换支路中电感和电容的谐振频率相同，以实现桥臂开关管的零电流开通和零电流关断，从而降低辅助供电电源的开关损耗，提高电源变换效率。
在本实施例中，每一个半桥桥臂的上开关管Sp1a，Sp2a，…，Spna的脉冲时序完全同步；同样的，每一个半桥桥臂的下开关管Sp1b，Sp2b，…，Spnb的脉冲时序也完全同步；并且每个半桥桥臂的上、下开关管均采用50％占空比的互补方波脉冲。
如图4所示，为本实施例中所提供的中、高压直流输入辅助供电电源能量流动示意图，需要指出，为了分析方便，在本实施例中选取2个直流支撑电容串联作为示例，当支撑电容数大于2时，其工作原理完全一致。在图4(a)-(d)中，支撑电容C1和C2分别为均压变换器的两个输入直流支撑电容，开关管S11，S12和开关管S21，S22分别为均压变换器的两个开关桥臂，开关管S11，S12构成第一个半桥桥臂，开关管S21，S22构成第二个半桥桥臂，其中，开关管S11和S21，开关管S12和S22的驱动脉冲完全同步，且每个开关桥臂的驱动脉冲均采用50％占空比的互补脉冲。为了便于分析，假设在前半个开关周期内，开关管S11，S21开通，开关管S12，S22关断；在后半个开关周期，开关管S12，S22开通，开关管S11，S21关断，那么，图4(a)-4(b)为当电容C1电压高于C2电压时，电容C1向电容C2传递能量的工作示意图，在前半个开关周期内，电容C1中的能量经开关管S11和S21传递至功率平衡单元；在后半个开关周期，功率平衡单元中的能量经开关管S12和S22传递至电容C2。图4(c)-(d)为电容C2电压高于C1电压时，电容C2向电容C1传递能量的工作示意图，在前半个开关周期内，功率平衡单元中的能量经开关管S11和S21传递至电容C1；在后半个开关周期，电容C2中的能量经开关管S12和S22传递至功率平衡单元。通过上述能量转换，能够实现各个直流输入支撑电容的电压平衡。
在本实施例中，所述n个输入直流支撑电容均分所述中、高压输入直流母线PQ的电压，每一个输入直流支撑电容作为输出电容，输出电压为Vin/n。当输出电压有额定电压要求或隔离要求时，可以在任意直流支撑电容后接隔离式DC/DC模块，从而得到所需要的供电输出电压；由于输入支撑电容的电压具有自平衡能力，故所接隔离式DC/DC模块不会对输入支撑电容电压平衡造成影响。
在本实施例中，所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑能够用于为具有直流母线的模块化电力电子变流装置提供辅助供电电源；所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置包括电力电子变压器、模块化多电平变换器或模块化级联变换器。
将所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑中的中、高压输入直流母线PQ和所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置相连，并为所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置中相应的功率模块的驱动或控制电源供电。
下面结合附图1，对中、高压直流输入辅助供电电源拓扑在电力电子变压器中的应用做详细说明；图1是一种典型电力电子变压器的拓扑原理图。电力电子变压器由n个AC/DC模块和n个DC/DC模块组成。其中，n个AC/DC模块的交流输入侧依次串联，n个DC/DC模块的直流输出侧依次并联。第j个AC/DC模块的输出侧与第j个DC/DC模块的输入侧共用直流母线支撑电容Cdcj，第j个DC/DC模块的输出侧与直流母线支撑电容Coj相连，其中j＝1,2,…,n。
图5是将本发明用作电力电子变压器辅助供电电源的示意图，图中APS代表本发明所提出的中、高压直流输入辅助供电电源。将中、高压直流输入辅助供电电源的输入直流母线PQ与电力电子变压器各模块的直流支撑电容Cdcj和Coj相连，其中j＝1,2,…,n。与Cdcj相连的辅助供电电源为相应的AC/DC模块和相应的DC/DC原边侧模块供电，与Coj相连的辅助供电电源为相应的DC/DC副边侧模块供电。
本发明所述中、高压直流输入辅助供电电源的应用场合不仅限于电力电子变压器，所有具有中、高压直流母线的模块化电力电子变流装置，如模块化多电平变换器，模块化级联变换器等，均可采用本发明所述的中、高压直流输入辅助供电电源作为其辅助供电电源。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，包括：中、高压输入直流母线PQ，n个输入直流支撑电容，n个半桥桥臂，n-1个能量交换支路，其中，所述中、高压输入直流母线PQ间的电压为Vin；
所述n个输入直流支撑电容Ci1、Ci2、…、Cin依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间：
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)、(Sp2a，Sp2b)、…、(Spna，Spnb)，依次串联于所述中、高压输入直流母线PQ之间；
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)中的每个半桥桥臂和所述n个输入直流支撑电容Ci1，Ci2，…，Cin中的每个输入直流支撑电容一一对应并依次并联；
所述n个半桥桥臂(Sp1a，Sp1b)，(Sp2a，Sp2b)，…，(Spna，Spnb)包括n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn；所述n-1个能量交换支路E1，E2，…，En-1的两端分别与n个半桥桥臂的中点m1，m2，…，mn依次连接。
2.如权利要求1所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，每一个半桥桥臂的上开关管Sp1a，Sp2a，…，Spna的脉冲时序完全同步；每一个半桥桥臂的下开关管Sp1b，Sp2b，…，Spnb的脉冲时序也完全同步；并且，每个半桥桥臂的上、下开关管均采用50％占空比的互补方波脉冲。
3.如权利要求1所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，所述n-1个能量交换支路的结构为：
每一个能量交换支路均由电感构成，所述n-1个能量交换支路分别为电感L1，L2，…，Ln-1；或者
每一个能量交换支路均由电容构成，所述n-1个能量交换支路为电容C1，C2，…，Cn-1；或者
每一个能量交换支路均由电感和电容串联构成，所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)。
4.如权利要求3所述的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，当所述n-1个能量交换支路为(L1，C1)，(L2，C2)，…，(Ln-1，Cn-1)时，控制桥臂开关管的开关频率与能量交换支路中电感和电容的谐振频率相同，以实现桥臂开关管的零电流开通和零电流关断。
5.如权利要求1所述的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，所述n个输入直流支撑电容均分所述中、高压输入直流母线PQ的电压，每一个输入直流支撑电容作为输出电容，输出电压为Vin/n。
6.如权利要求1所述的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑能够用于为具有直流母线的模块化电力电子变流装置提供辅助供电电源；
所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置包括电力电子变压器、模块化多电平变换器或模块化级联变换器。
7.如权利要求6所述的中、高压直流输入辅助供电电源拓扑，其特征在于，将所述中、高压直流输入辅助供电电源拓扑中的中、高压输入直流母线PQ和所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置相连，并为所述具有直流母线的模块化电力电子变流装置中相应的功率模块的驱动或控制电源供电。
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