CN109861549A - 一种五电平双桥双向隔离型直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种五电平双桥双向隔离型直流变换器；包括：高压侧的五电平全桥结构、低压侧的半桥结构、功率电感和高频变压器；所述五电平全桥结构的引出端子通过功率电感与所述高频变压器的原边连接；所述低压侧的半桥结构的引出端子与所述高频变压器的副边连接；本发明的变换器相对于传统的双向对称全桥电路，低压侧减少了可控开关管的使用数量，简化了驱动电路，有效的降低了成本；同时移相控制的使用，减小了回流功率，进而提升了整体能量传输的效率，可广泛应用于直流转换变比较高的场合。

Description

一种五电平双桥双向隔离型直流变换器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种五电平双桥双向隔离型直流变换器。

背景技术

随着经济的快速发展，能源需求和不可再生资源短缺的矛盾日渐突出；近些年来可再生能源得到了快速发展，例如太阳能和风能等在发电行业的应用。基于可再生能源与储能元件构成的微电网系统在电力系统中得到了广泛的应用。但是伴随着太阳能和风能等新能源的接入，由于受到自然条件的制约，其不稳定的性能会影响电能的质量，进而在一定程度上干扰到电力系统的正常运行；

现有的直流变换器采用双向全桥的拓扑结构，即高频变压器原边副边两侧通常都是全桥结构；一方面，该结构设置的开关数量较多且接线复杂，这无疑增加了前期的投入成本；另一方面，由于拓扑结构在能量传输过程中易出现功率回流的问题，无形中降低了电力电子变换装置的传输效率；因此亟需一种结构简单又能保证能量传输效率的变换器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有的变换器结构复杂且能量传输效率不高的技术问题，本发明提供一种五电平双桥双向隔离型直流变换器。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

高压侧的五电平全桥结构、低压侧的半桥结构、功率电感L₁和高频变压器T₁；

所述五电平全桥结构的引出端子通过功率电感L₁与所述高频变压器T₁的原边连接；

所述低压侧的半桥结构的引出端子与所述高频变压器T₁的副边连接。

可选地，所述高压侧的五电平全桥结构包括：高压侧电源E₁、第一均压电阻R₁、第二均压电阻R₂、第一母线电容C₁、第二母线电容C₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈、第十一箝位二极管D₁₁、第十二箝位二极管D₁₂、第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄；

所述第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂串联后与所述高压侧电源E₁并联；

所述第一母线电容C₁和第二母线电容C₂串联后与所述高压侧电源E₁并联；

所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄依次串联后与所述高压侧电源E₁并联；

所述第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈依次串联后与所述高压侧电源E₁并联；

所述第十三箝位二极管D₁₃的阳极和第十四箝位二极管D₁₄的阴极连接，所述第一开关管S₁和第二开关管S₂的中点与所述第十三箝位二极管D₁₃的阴极连接，所述第三开关管S₃和第四开关管S₄的中点与所述第十四箝位二极管D₁₄的阳极连接；

所述第十一箝位二极管D₁₁的阳极和第十二箝位二极管D₁₂的阴极连接，所述第五开关管S₅和第六开关管S₆的中点与所述第十一箝位二极管D₁₁的阴极连接，所述第七开关管S₇和第八开关管S₈的中点与所述第十二箝位二极管D₁₂的阳极连接；

功率电感L₁的一端与所述第二开关管S₂和第三开关管S₃的中点A连接，功率电感L₁的另一端与高频变压器T₁原边的一端连接，高频变压器T₁原边的另一端与所述第六开关管S₆和第七开关管S₇的中点B连接；

所述第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂的中点、所述第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的中点，所述第十一箝位二极管D₁₁和第十二箝位二极管D₁₂的中点，以及所述第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄的中点均结于一点。

可选地，所述低压侧的半桥结构包括：低压侧电源E₂、第三均压电阻R₃、第四均压电阻R₄、第三母线电容C₃、第四母线电容C₄、第九开关管S₉和第十开关管S₁₀；

所述第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄串联后与所述低压侧电源E₂并联；

所述第三母线电容C₃和第四母线电容C₄串联后与所述低压侧电源E₂并联；

所述第九开关管S₉和第十开关管S₁₀的中点与高频变压器T₁副边的一端连接，所述第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄的中点，以及所述第三母线电容C₃和第四母线电容C₄的中点均与高频变压器T₁副边的另一端连接。

可选地，还包括十个二极管；

所述第一开关管S₁至第十开关管S₁₀均反向并联一个二极管，且每一个、二极管的阳极与开关管的发射极连接，每一个二极管的阴极与开关管的集电极连接。

可选地，所述第十一箝位二极管D₁₁、第十二箝位二极管D₁₂、第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄均为肖特基二极管或快恢复二极管。

可选地，所述第一开关管S₁至第十开关管S₁₀均为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。

可选地，所述第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂的电阻大小相同；

所述第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄的电阻大小相同；

所述第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的电容大小相同；

所述第三母线电容C₃和第四母线电容C₄的电容大小相同。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的变换器相对于传统的双向对称全桥电路，低压侧减少了可控开关管的使用数量，简化了驱动电路，有效的降低了成本；同时移相控制的使用，减小了回流功率，进而提升了整体能量传输的效率，可广泛应用于直流转换变比较高的场合。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的五电平双桥双向隔离型直流变换器的电路拓扑结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的开关管S₁、S₂、S₇、S₈和S₁₀导通时电流的流向图；

图3为本发明一实施例提供的开关管S₁、S₂、S₇和二极管D₉、D₁₂导通时电流的流向图；

图4为本发明一实施例提供的开关管S₁、S₂和二极管D₅、D₆、D₉导通时电流的流向图；

图5为本发明一实施例提供的开关管S₂和二极管D₅、D₆、D₉、D₁₃导通时电流的流向图；

图6为本发明一实施例提供的开关管S₃、S₄、S₅、S₆、S₉导通时电流的流向图；

图7为本发明一实施例提供的开关管S₃、S₄、S₆和二极管D₁₀、D₁₁导通时电流的流向图；

图8为本发明一实施例提供的开关管S₃、S₄和二极管D₇、D₈、D₁₀导通时电流的流向图；

图9为本发明一实施例提供的开关管S₃和二极管D₇、D₈、D₁₀、D₁₄导通时电流的流向图；

图10为本发明一实施例提供的开关信号时序图；

图11为本发明一实施例提供的仿真输出的波形图；

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种五电平双桥双向隔离型直流变换器，具体包括：高压侧的五电平全桥结构、低压侧的半桥结构、功率电感L₁和高频变压器T₁；

五电平全桥结构的引出端子通过功率电感L₁与高频变压器T₁的原边连接；

低压侧的半桥结构的引出端子与高频变压器T₁的副边连接。

具体地，高频变压器的应用，使高压侧和低压侧实现了电气隔离，可获得较高的电压比，且适合较大功率。

举例来说，高压侧的五电平全桥结构包括：高压侧电源E₁、第一均压电阻R₁、第二均压电阻R₂、第一母线电容C₁、第二母线电容C₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈、第十一箝位二极管D₁₁、第十二箝位二极管D₁₂、第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄；

具体地，第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂的电阻大小相同；第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的电容大小相同；

举例来说，高压侧全桥结构的应用一方面，减小了单个开关管的电压应力，有效的减小了开关损耗，使得拓扑的电磁干扰更小；另一方面，使变压器能够双向励磁，提升了变压器的利用率；

第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂串联后与高压侧电源E₁并联；

第一母线电容C₁和第二母线电容C₂串联后与高压侧电源E₁并联；

第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄依次串联后与高压侧电源E₁并联；

第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈依次串联后与高压侧电源E₁并联；

第十三箝位二极管D₁₃的阳极和第十四箝位二极管D₁₄的阴极连接，第一开关管S₁和第二开关管S₂的中点与第十三箝位二极管D₁₃的阴极连接，第三开关管S₃和第四开关管S₄的中点与第十四箝位二极管D₁₄的阳极连接；

第十一箝位二极管D₁₁的阳极和第十二箝位二极管D₁₂的阴极连接，第五开关管S₅和第六开关管S₆的中点与第十一箝位二极管D₁₁的阴极连接，第七开关管S₇和第八开关管S₈的中点与第十二箝位二极管D₁₂的阳极连接；

功率电感L₁的一端与第二开关管S₂和第三开关管S₃的中点A连接，功率电感L₁的另一端与高频变压器T₁原边的一端连接，高频变压器T₁原边的另一端与第六开关管S₆和第七开关管S₇的中点B连接；

第一均压电阻R₁和第二均压电阻R₂的中点、第一母线电容C₁和第二母线电容C₂的中点，第十一箝位二极管D₁₁和第十二箝位二极管D₁₂的中点，以及第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄的中点均结于一点。

举例来说，低压侧的半桥结构包括：低压侧电源E₂、第三均压电阻R₃、第四均压电阻R₄、第三母线电容C₃、第四母线电容C₄、第九开关管S₉和第十开关管S₁₀；相比于传统双向全桥结构，低压侧减少了开关管的使用数量，有效的降低了投资成本，使拓扑更加简单，简化了驱动电路，控制简便，提升了可靠性；

具体地，第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄的电阻大小相同；第三母线电容C₃和第四母线电容C₄的电容大小相同；

第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄串联后与低压侧电源E₂并联；

第三母线电容C₃和第四母线电容C₄串联后与低压侧电源E₂并联；

第九开关管S₉和第十开关管S₁₀的中点与高频变压器T₁副边的一端连接，第三均压电阻R₃和第四均压电阻R₄的中点，以及第三母线电容C₃和第四母线电容C₄的中点均与高频变压器T₁副边的另一端连接。

举例来说，第一开关管S₁至第十开关管S₁₀均反向并联一个二极管，且每一二极管的阳极与开关管的发射极连接，每一二极管的阴极与开关管的集电极连接。

在本实施例中，第十一箝位二极管D₁₁、第十二箝位二极管D₁₂、第十三箝位二极管D₁₃和第十四箝位二极管D₁₄均为肖特基二极管或快恢复二极管；第一开关管S₁至第十开关管S₁₀均为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件，高压侧全桥结构的八个开关管提高了控制的灵活度，同时也增大了桥臂的耐压程度。

实施例二

在本实施例中，第一开关管至第十开关管使用IGBT模块；使用时S₁、S₂分别与开关管S₃、S₄开通关断信号互补，开关管S₅、S₆的分别与开关管S₇、S₈导通关断信号互补。具体地开关管的驱动信号如表1所示，通过控制开关管的导通关断，可以得到输出为五电平的线电压，对应于低压侧，同一时刻，两个开关管S9、S10仅有一个加导通信号；在使用过程中开关管S9导通，输出电压为E2/2，开关管S10导通，输出电压为-E2/2,如表1所示；通过控制副边输出方波相对于原边输出方波的相角差，可以控制电感L1两侧电压，进而控制原边和副边之间传送功率的大小；双重移相技术的应用，有效的减小了回流功率，提升了整体效率。

表1高频变压器两侧开关管驱动信号以及对应输出电压

S<sub>1</sub>	S<sub>2</sub>	S<sub>3</sub>	S<sub>4</sub>	S<sub>5</sub>	S<sub>6</sub>	S<sub>7</sub>	S<sub>8</sub>	S<sub>9</sub>	S<sub>10</sub>	U<sub>AB</sub>	U<sub>CD</sub>
												1	1	0	0	0	0	1	1	0	1	E<sub>1</sub>	-E<sub>2</sub>/2
1	1	0	0	0	1	1	0	1	0	E<sub>1</sub>/2	E<sub>2</sub>/2
												1	1	0	0	1	1	0	0	1	0	0	E<sub>2</sub>/2
0	1	1	0	1	1	0	0	1	0	-E<sub>1</sub>/2	E<sub>2</sub>/2
												0	0	1	1	1	1	0	0	1	0	-E<sub>1</sub>	E<sub>2</sub>/2
0	0	1	1	0	1	1	0	0	1	-E<sub>1</sub>/2	-E<sub>2</sub>/2
												0	0	1	1	0	0	1	1	0	1	0	-E<sub>2</sub>/2
0	1	1	0	0	0	1	1	0	1	E<sub>1</sub>/2	-E<sub>2</sub>/2

如图2示出了当开关管S₁、S₂、S₇、S₈和S₁₀导通时变换器内的电流的流向；如图3示出了当开关管S₁、S₂、S₇和二极管D₉、D₁₂导通时电流的流向；如图4示出了当开关管S₁、S₂和二极管D₅、D₆、D₉导通时电流的流向；如图5示出了当开关管S₂和二极管D₅、D₆、D₉、D₁₃导通时电流的流向；如图6示出了当开关管S₃、S₄、S₅、S₆和S₉导通时变换器内的电流的流向；如图7示出了当开关管S₃、S₄、S₆和二极管D₁₀、D₁₁导通时电流的流向；如图8示出了当开关管S₃、S₄和二极管D₇、D₈、D₁₀导通时电流的流向；如图9示出了当开关管S₃和二极管D₇、D₈、D₁₀、D₁₄导通时电流的流向；

本实施例中使用电力电子仿真软件搭建模型，仿真结果开关管信号时序图如图10，相应的获得的仿真输出波形如输出图11所示。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种五电平双桥双向隔离型直流变换器，其特征在于，包括：高压侧的五电平全桥结构、低压侧的半桥结构、功率电感(L₁)和高频变压器(T₁)；

所述五电平全桥结构的引出端子通过功率电感(L₁)与所述高频变压器(T₁)的原边连接；

所述低压侧的半桥结构的引出端子与所述高频变压器(T₁)的副边连接。

2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述高压侧的五电平全桥结构包括：高压侧电源(E₁)、第一均压电阻(R₁)、第二均压电阻(R₂)、第一母线电容(C₁)、第二母线电容(C₂)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)、第四开关管(S₄)、第五开关管(S₅)、第六开关管(S₆)、第七开关管(S₇)、第八开关管(S₈)、第十一箝位二极管(D₁₁)、第十二箝位二极管(D₁₂)、第十三箝位二极管(D₁₃)和第十四箝位二极管(D₁₄)；

所述第一均压电阻(R₁)和第二均压电阻(R₂)串联后与所述高压侧电源(E₁)并联；

所述第一母线电容(C₁)和第二母线电容(C₂)串联后与所述高压侧电源(E₁)并联；

所述第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)依次串联后与所述高压侧电源(E₁)并联；

所述第五开关管(S₅)、第六开关管(S₆)、第七开关管(S₇)和第八开关管(S₈)依次串联后与所述高压侧电源(E₁)并联；

所述第十三箝位二极管(D₁₃)的阳极和第十四箝位二极管(D₁₄)的阴极连接，所述第一开关管(S₁)和第二开关管(S₂)的中点与所述第十三箝位二极管(D₁₃)的阴极连接，所述第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)的中点与所述第十四箝位二极管(D₁₄)的阳极连接；

所述第十一箝位二极管(D₁₁)的阳极和第十二箝位二极管(D₁₂)的阴极连接，所述第五开关管(S₅)和第六开关管(S₆)的中点与所述第十一箝位二极管(D₁₁)的阴极连接，所述第七开关管(S₇)和第八开关管(S₈)的中点与所述第十二箝位二极管(D₁₂)的阳极连接；

功率电感(L₁)的一端与所述第二开关管(S₂)和第三开关管(S₃)的中点(A)连接，功率电感(L₁)的另一端与高频变压器(T₁)原边的一端连接，高频变压器(T₁)原边的另一端与所述第六开关管(S₆)和第七开关管(S₇)的中点(B)连接；

所述第一均压电阻(R₁)和第二均压电阻(R₂)的中点、所述第一母线电容(C₁)和第二母线电容(C₂)的中点，所述第十一箝位二极管(D₁₁)和第十二箝位二极管(D₁₂)的中点，以及所述第十三箝位二极管(D₁₃)和第十四箝位二极管(D₁₄)的中点均结于一点。

3.如权利要求2所述的变换器，其特征在于，所述低压侧的半桥结构包括：低压侧电源(E₂)、第三均压电阻(R₃)、第四均压电阻(R₄)、第三母线电容(C₃)、第四母线电容(C₄)、第九开关管(S₉)和第十开关管(S₁₀)；

所述第三均压电阻(R₃)和第四均压电阻(R₄)串联后与所述低压侧电源(E₂)并联；

所述第三母线电容(C₃)和第四母线电容(C₄)串联后与所述低压侧电源(E₂)并联；

所述第九开关管(S₉)和第十开关管(S₁₀)的中点与高频变压器(T₁)副边的一端连接，所述第三均压电阻(R₃)和第四均压电阻(R₄)的中点，以及所述第三母线电容(C₃)和第四母线电容(C₄)的中点均与高频变压器(T₁)副边的另一端连接。

4.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，还包括十个二极管；

所述第一开关管(S₁)至第十开关管(S₁₀)均反向并联一个二极管，且每一个、二极管的阳极与开关管的发射极连接，每一个二极管的阴极与开关管的集电极连接。

5.如权利要求4所述的变换器，其特征在于，所述第十一箝位二极管(D₁₁)、第十二箝位二极管(D₁₂)、第十三箝位二极管(D₁₃)和第十四箝位二极管(D₁₄)均为肖特基二极管或快恢复二极管。

6.如权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述第一开关管(S₁)至第十开关管(S₁₀)均为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。

7.如权利要求6所述的变换器，其特征在在于，

所述第一均压电阻(R₁)和第二均压电阻(R₂)的电阻大小相同；

所述第三均压电阻(R₃)和第四均压电阻(R₄)的电阻大小相同；

所述第一母线电容(C₁)和第二母线电容(C₂)的电容大小相同；

所述第三母线电容(C₃)和第四母线电容(C₄)的电容大小相同。