CN109728731A

CN109728731A - 一种具有模块化整流结构的谐振变换器

Info

Publication number: CN109728731A
Application number: CN201910011320.XA
Authority: CN
Inventors: 邵帅; 张军明; 崔文韬; 叶蔚文
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明涉及直流‑直流变换器，旨在提供一种具有模块化整流结构的谐振变换器。该谐振变换器包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，其中逆变电路和谐振网络位于变压器的原边，整流器和输出电容位于变压器的副边；所述整流器是模块化整流器，包括至少一对桥臂，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个二极管、一个开关和一个电容，二极管与开关串联后并接至电容的两侧。本发明能够提高谐振变换器输出电压等级，可工作在10kV或更高的电压等级；本发明能通过调节子模块电容电压控制输出电压，无需调节开关频率，既能保证高效率又能控制输出电压。

Description

一种具有模块化整流结构的谐振变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体涉及一种电力电子技术领域中具有模块化整流结构的谐振变换器，可实现低压直流向中高压直流变换。

背景技术

在电力系统、舰艇等应用场合，常需要将低压直流转化为中高压直流，例如低压分布式光伏接入中压直流配电网。在这类应用中，谐振变换器如LLC因其结构简单、能量转换效率高而被广泛研究和应用。但是，谐振变换器的使用面临两个挑战，一是其输出侧电压高，超过了单个二极管的耐压；二是谐振变换器通过调节频率控制输出电压，但其效率最高点在谐振频率附近，难以兼顾电压控制和效率优化。

发明内容

本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种具有模块化整流结构的谐振变换器，能提高输出侧的电压等级，并能通过调节子模块电容电压控制输出电压，无需调节开关频率，既能保证高效率又能控制输出电压。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种具有模块化整流结构的谐振变换器，包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，其中逆变电路和谐振网络位于变压器的原边，整流器和输出电容位于变压器的副边；所述整流器是模块化整流器，包括至少一对桥臂，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个二极管、一个开关和一个电容，二极管与开关串联后并接至电容的两侧。

本发明中，所述逆变电路是全桥电路或半桥电路。

本发明中，所述的谐振网络由至少一个电感与至少一个电容组成。

本发明中，还包括用于控制输出电压的中央控制器和用于控制子模块电压的桥臂控制器；其中，中央控制器采样的谐振变换器输出电压，经闭环控制和移相产生PWM 信号；桥臂控制器采样各子模块中电容的电压，按从小到大排序，并根据排序结果将中央控制器产生的PWM信号分配给各子模块。

本发明中，所述模块化整流器包括一对桥臂，与两个输出电容共同组成半桥结构；或者，模块化整流器包括两对桥臂，与一个输出电容共同组成全桥结构。

发明原理描述：

本发明的整体工作方式类似于传统谐振变换器，输入电压经逆变电路变为高频方波电压；该高频方波电压通过谐振网络变为交流电流；该交流电流经过模块化整流器整流和输出电容滤波，变为直流电压。在本发明的的模块化整流器中，通过控制子模块电容电压能控制交流电流流向，从而控制输出电压大小；在模块化整流器中，通过控制每个子模块电容电压保持均衡，能确保二极管反向电压均衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提高谐振变换器输出电压等级，可工作在10kV或更高的电压等级；

(2)本发明能通过调节子模块电容电压控制输出电压，无需调节开关频率，既能保证高效率又能控制输出电压。

附图说明

图1：本发明的具有模块化整流结构的谐振变换器一个实施例；

图2：本发明的中央控制器示例；

图3：本发明的桥臂控制器示例；

图4：逆变电路的结构示例；

图5：本发明的具有模块化整流结构的谐振变换器的另一个实施例。

附图标记或代号：10逆变电路、20谐振网络、30变压器、40模块化整流器、401 桥臂、402桥臂、403桥臂、404桥臂、50输出电容、60中央控制器、70桥臂控制器、 101全桥逆变电路、102半桥逆变电路、103半桥逆变电路、N桥臂子模块数目、Cell子模块、D1二极管、S₂开关、C电容、v_c电容电压、g_i驱动信号、L桥臂电感、Vo变换器输出电压、Pi、Ni输入直流电压端、Po、No输出直流电压端、g₁～g_N 401桥臂PWM 信号、402桥臂PWM信号、v₁～v_N401桥臂子模块电容电压、V_ref参考电压、θ移相角、Cell(V_min)电容电压最小的子模块、Cell(V_max)电容电压最大的子模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例一中的具有模块化整流结构的谐振变换器(如图1所示)，包括逆变电路10、谐振网络20、变压器30、模块化整流器40和输出电容50，其中逆变电路10 可以是全桥电路或半桥电路，谐振网络20由一个电感与一个电容组成。输入侧直流电压端子Pi，Ni，用于输入直流电压；输出侧端子直流电压端子Po，No，用于输出直流电压。

逆变电路10与谐振网络20位于变压器30的原边；整流器40和输出电容50位于变压器30的副边；模块化整流器40包括一对桥臂401和402，与两个输出电容50共同组成半桥结构；每个桥臂均包含一个电感L和至少一个与电感串联的子模块Cell；每个子模块Cell均具有相同结构，包含一个二极管D₁、一个开关S₂和一个电容C，二极管 D₁与开关S₂串联后并接至电容C的两侧。

本发明的谐振变换器还包括用于控制输出电压的中央控制器60和用于控制子模块电压的桥臂控制器70；其中，中央控制器60采样谐振变换器的输出电压Vo，经闭环控制和移相产生PWM信号；桥臂控制器70采样各子模块Cell中电容的电压v₁～v_N，按从小到大排序，并根据排序结果将中央控制器60产生的PWM信号分配给各子模块。

图2示例性展示了具有模块化整流结构的谐振变换器的中央控制器原理图。谐振变换器输出电压V_o与参考值V_ref与作差，该差值经补偿器生成PWM信号g₁，g₁分别移相θ，2θ，…，(N-1)θ得到PWM信号g₂-g_N，将该N个PWM信号分别移相π(半周期)，生成信号g₁～g_N与分别分配给桥臂401和402的N个子模块(N≥1)。

图3示例性展示了具有模块化整流结构的谐振变换器的桥臂控制器原理图，用于控制桥臂401子模块Cell电压均衡。对桥臂401的N个子模块Cell，按其电容电压v₁～v_N从小到大依次排序，将g₁～g_N依次分配给这些子模块，分配原则是相位靠前的PWM信号分配给电容电压较小的子模块。类似地，可将分配给桥臂402的各个子模块。

图4展示了逆变电路10的多种结构，包括全桥结构101，半桥结构102和半桥结构103，这些逆变电路均可用于本发明。

图5示例性的展示了本发明中谐振变换器的另一个实施例，其中模块化整流器包括两对桥臂401、402、403、404，与一个输出电容共同组成全桥结构。其工作原理与实施例一类似，此处不再赘述。

虽然通过优选实施例进一步详细地说明并描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例，本领域技术人员可以从中得出其他变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有模块化整流结构的谐振变换器，包括逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，其中逆变电路和谐振网络位于变压器的原边，整流器和输出电容位于变压器的副边；其特征在于，所述整流器是模块化整流器，包括至少一对桥臂，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个二极管、一个开关和一个电容，二极管与开关串联后并接至电容的两侧。

2.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述逆变电路是全桥电路或半桥电路。

3.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述的谐振网络由至少一个电感与至少一个电容组成。

4.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，还包括用于控制输出电压的中央控制器和用于控制子模块电压的桥臂控制器；其中，

中央控制器采样谐振变换器的输出电压，经闭环控制和移相产生PWM信号；

桥臂控制器采样各子模块中电容的电压，按从小到大排序，并根据排序结果将中央控制器产生的PWM信号分配给各子模块。

5.根据权利要求1所述的谐振变换器，其特征在于，所述模块化整流器包括一对桥臂，与两个输出电容共同组成半桥结构；或者，模块化整流器包括两对桥臂，与一个输出电容共同组成全桥结构。