CN109921642A - 一种电压变换装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种电压变换装置。该装置包括：依次连接的原边模块、变压器模块和副边模块，其中，原边模块，包括依次连接的原边开关单元、原边变压单元、原边均压电阻单元和原边控制单元，用于将电压输入侧输入的第一直流电压转换为第一交流电压；变压器模块与原边变压单元连接，用于将第一交流电压转换为第二交流电压；副边模块，包括依次连接的副边变压单元、副边开关单元和副边控制单元，用于将第二交流电压转换为第二直流电压，并将第二直流电压输入到电压输出侧。本公开所提供的装置，通过三个模块之间的相互配合，实现直流到直流的电压变换，具有稳定性高、安全性高以及启动成功率高等优点。

Description

一种电压变换装置

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电压变换装置。

背景技术

直流-直流(DCDC)变换器是一种常见的电压变换装置，可以作为模块广泛地应用于直流充电桩或是直流固态变压器等直流型产品。

目前被应用的DCDC变换模块通常采用LLC谐振电路实现，由于LLC谐振电路本身拓扑结构的限制，导致DCDC变换模块常常会出现输入与输出匹配电压较窄的问题。同时，DCDC变换模块在被并联或串联使用时，往往会出现电压裕度低以及抗冲击能力弱的问题。当DCDC变换模块故障后，同样由于电路拓扑结构的限制，导致DCDC变换模块无法自动退出被并联或串联的结构，给应用该DCDC变换模块的产品带来风险。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种电压变换装置。

根据本公开的一方面，提供了一种电压变换装置，所述装置包括：原边模块、变压器模块和副边模块，

所述原边模块，包括：原边开关单元、原边变压单元、原边均压电阻单元和原边控制单元，

所述原边开关单元，与电压输入侧连接，用于将所述电压输入侧传递的第一直流电压输入至所述装置，或实现所述装置与所述电压输入侧的隔离；

所述原边变压单元，与所述原边开关单元连接，用于将所述第一直流电压转换为第一交流电压；

所述原边均压单元，与所述原边变压单元并联，用于根据所述第一直流电压的变化状态，对所述原边模块进行相应的均压保护；

所述原边控制单元，用于控制所述原边开关单元的通断、控制所述原边变压单元的电压转换以及控制所述原边均压单元进行均压保护；

所述变压器模块与原边变压单元连接，用于将第一交流电压转换为第二交流电压；

所述副边模块，包括：副边变压单元、副边开关单元和副边控制单元，

所述副边变压单元，与所述变压器模块连接，用于将第二交流电压转换为第二直流电压；

所述副边开关单元，分别与所述副边变压单元和电压输出侧连接，用于输出所述第二直流电压至所述电压输出侧，或实现所述装置与所述电压输出侧的隔离；

所述副边控制单元，用于控制所述副边变压单元的电压转换以及所述副边开关单元的通断。

在一种可能的实现方式中，所述原边开关单元包括：机械开关子单元和原边静态开关子单元，

所述机械开关子单元，分别与所述电压输入侧、所述原边静态开关子单元和所述原边控制单元连接；

所述原边静态开关子单元，分别与所述电压输入侧、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接；

所述机械开关子单元和所述原边静态开关子单元相互配合，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压输入至所述装置，或实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

在一种可能的实现方式中，所述机械开关子单元包括：机械开关和脉冲触发板，

所述机械开关，分别与所述电压输入侧和所述原边静态开关子单元连接，用于在导通状态下实现所述装置与所述电压输入侧的隔离，在非导通状态下将所述第一直流电压输入至所述装置；

所述脉冲触发板，固定于所述机械开关的外侧并与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，实现所述机械开关的导通。

在一种可能的实现方式中，所述原边静态开关子单元包括：第一双管绝缘栅双极型晶体管IGBT，

所述第一双管IGBT，分别与所述电压输入侧、所述机械开关子单元、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压输入至所述装置，或通过与所述机械开关子单元配合实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

在一种可能的实现方式中，所述第一双管IGBT包括：第一IGBT和第二IGBT，所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极连接，

所述第一IGBT，还分别与所述电压输入侧、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，在导通时将所述第一直流电压输入至所述装置；

所述第二IGBT，还分别与所述电压输入侧、所述机械开关子单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，在导通时实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

在一种可能的实现方式中，所述原边变压单元包括：原边单相全桥逆变器和原边直流支撑电容，

所述原边直流支撑电容，分别与所述原边开关单元和所述原边单相全桥逆变器连接，用于储存来自于所述电压输入侧的直流电能以供所述原边单相全桥逆变器使用；

所述原边单相全桥逆变器，分别与所述原边直流支撑电容、所述原边控制单元和所述变压器模块连接，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压转换为所述第一交流电压，并将所述第一交流电压传输至所述变压器模块；

所述副边变压单元包括：副边单相全桥逆变器和副边直流支撑电容，

所述副边单相全桥逆变器，分别与所述变压器模块、所述副边直流支撑电容和所述副边控制单元连接，用于在所述副边控制单元的控制下，将所述第二交流电压转换为所述第二直流电压，并将所述第二直流电压传输至所述副边直流支撑电容；

所述副边直流支撑电容，分别与所述副边单相全桥逆变器和所述副边开关单元连接，用于储存经由所述变压器模块传递的直流电能以供所述电压输出侧使用。

在一种可能的实现方式中，所述原边单相全桥逆变器包括：第二双管IGBT和第三双管IGBT，所述第二双管IGBT与所述第三双管IGBT构成第一单相全桥逆变电路，所述第一单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与所述原边直流支撑电容连接，所述第一单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与所述变压器模块连接，所述第一单相全桥逆变电路还与所述原边控制单元连接，在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压转换为所述第一交流电压；

所述副边单相全桥逆变器包括：第四双管IGBT和第五双管IGBT，所述第四双管IGBT与所述第五双管IGBT构成第二单相全桥逆变电路，所述第二单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与所述副边直流支撑电容连接，所述第二单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与所述变压器模块连接，所述第二单相全桥逆变电路还与所述副边控制单元连接，在所述副边控制单元的控制下，将所述第二交流电压转换为所述第二直流电压。

在一种可能的实现方式中，所述原边单相全桥逆变器还包括：第一吸收电容和第二吸收电容，

所述第一吸收电容并联于所述第二双管IGBT的两端，用于吸收所述第二双管IGBT产生的电压尖峰；

所述第二吸收电容并联于所述第三双管IGBT的两端，用于吸收所述第三双管IGBT产生的电压尖峰；

所述副边单相全桥逆变器还包括：第三吸收电容和第四吸收电容，

所述第三吸收电容并联于所述第四双管IGBT的两端，用于吸收所述第四双管IGBT产生的电压尖峰；

所述第四吸收电容并联于所述第五双管IGBT的两端，用于吸收所述第五双管IGBT产生的电压尖峰。

在一种可能的实现方式中，所述原边变压单元还包括：原边取能电源，

所述原边取能电源，分别与所述原边开关单元和所述原边控制单元连接，用于利用来自于所述电压输入侧的直流电能，为所述原边开关单元和所述原边控制单元供电；

所述副边变压单元还包括：副边取能电源，

所述副边取能电源，分别与所述副边开关单元和所述副边控制单元连接，用于利用经由所述变压器模块传递的直流电能，为所述副边控制单元供电。

在一种可能的实现方式中，所述原边均压单元包括：可变均压子单元和第一电阻板，

所述可变均压子单元，与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，与所述原边变压单元并联或退出所述原边模块，对所述原边模块进行动态均压保护；

所述第一电阻板，与所述原边变压单元并联，用于对所述原边模块进行静态均压保护。

在一种可能的实现方式中，所述可变均压子单元包括：第二电阻板和金属氧化物半导体型场效应MOS管，

所述第二电阻板，与所述MOS管连接，在所述MOS管导通时与所述原边变压单元并联，在所述MOS管不导通时退出所述原边模块，以实现对所述原边模块进行动态均压保护；

所述MOS管，与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，切换导通状态。

在一种可能的实现方式中，所述原边控制单元包括：第一采样子单元和第一控制板，

所述第一采样子单元，分别与所述原边开关单元和所述原边变压单元连接，用于对所述原边模块的电压和电流进行采样；

所述第一控制板，用于根据所述第一采样单元的采样结果，控制所述原边开关单元的通断、控制所述原边变压单元的电压转换以及控制所述原边均压单元进行均压保护：

所述副边控制单元包括：第二采样子单元和第二控制板，

所述第二采样子单元，分别与所述副边开关单元和所述副边变压单元连接，用于对所述副边模块的电压和电流进行采样；

所述第二控制板，用于根据所述第二采样单元的采样结果，控制所述副边开关单元的通断以及所述副边变压单元的电压转换。

在一种可能的实现方式中，所述第一采样子单元包括：第一电压采集器、第二电压采集器和第一电流采集器，

所述第一电压采集器，分别与所述原边开关单元和所述第一控制板连接；

所述第二电压采集器，分别与所述原边变压单元和所述第一控制板连接；

所述第一电流采集器，分别与所述原边变压单元、变压器模块和所述第一控制板连接；

所述第二采样子单元包括：第三电压采集器、第二电流采集器和第三电流采集器，

所述第三电压采集器，分别与所述副边变压单元和所述第二控制板连接；

所述第二电流采集器，分别与所述电压输出侧、副边开关单元和所述第二控制板连接；

所述第三电流采集器，分别与所述副边变压单元、变压器模块和所述第二控制板连接。

在一种可能的实现方式中，所述第一控制板上设有第一同步脉冲光纤接口，所述第二控制板上设有第二同步脉冲光纤接口，所述第一同步脉冲光纤接口和所述第二同步脉冲光纤接口相互连接。

在一种可能的实现方式中，所述变压器模块包括：高频隔离变压单元，

所述高频隔离变压单元的输入端与所述原边变压单元连接，输出端与所述副边变压单元连接，用于将所述第一交流电压转换为第二交流电压。

在一种可能的实现方式中，所述高频隔离变压单元包括谐振电容、谐振电感、高频隔离变压器和滤波电容，

所述原边变压单元、谐振电容、谐振电感和高频隔离变压器的输入端依次串联构成第一回路；

所述副边变压单元、滤波电容和高频隔离变压器的输出端依次串联构成第二回路。

在一种可能的实现方式中，所述副边开关单元包括：第一单管IGBT、第二单管IGBT和直流电容，

所述第一单管IGBT包括第三IGBT，所述第二单管IGBT包括第四IGBT，所述第三IGBT的发射极与所述副边变压模块连接，第三IGBT的集电极与所述第四IGBT的集电极连接，所述第四IGBT的发射极与所述电压输出侧连接，所述第三IGBT和所述第四IGBT还均与所述副边控制单元连接，用于在所述副边控制单元的控制下，在导通状态下输出所述第二直流电压至所述电压输出侧，在非导通状态下实现所述装置与所述电压输出侧的隔离；

所述直流电容分别与所述第一单管IGBT、第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于在所述第一单管IGBT不导通时与所述电压输出侧构成通路。

在一种可能的实现方式中，所述副边开关单元还包括：直流电感，

所述直流电感分别与所述第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于进行低通滤波和限流。

在一种可能的实现方式中，所述副边开关单元还包括：熔断器，

所述熔断器分别与所述第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于进行限流保护。

本公开所提供的电压变换装置，通过原边模块、变压器模块和副边模块三部分的配合，将直流-直流电压变换分解为直流-交流-直流的分级变换，原边模块和副边模块相互之间完全独立，通过变压器模块实现二者之间的电气隔离，提高了装置的稳定性；同时，在原边和副边分别设置了相应的原边开关单元和副边开关单元，通过两个开关单元，可以在装置发生故障时，实现保护的快速响应，有效将装置与电压输入侧或是电压输出侧隔离，从而提高装置的安全性，也提高了与故障装置相连的设备的安全性，使得提高装置在并联或串联使用时的电压裕度以及抗冲击能力，也便于装置在故障时通过开关单元实现旁路，从而自动退出并联或串联的结构；同时，原边开关单元的设置可以有效的提升装置的输入电压范围，从而使得装置的输入与输出匹配电压范围增大；在原边模块中还设置了原边均压单元，可以在原边控制单元的控制下，灵活的对装置实现均压保护，提高装置启动的成功率。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图2示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图3示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图4示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图5示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图6示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图7示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图8示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图9示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图10示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图11示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。

图12示出本公开一应用示例的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图。如图所示，该装置10包括原边模块11、变压器模块12和副边模块13。其中，原边模块11包括1原边开关单元111、原边变压单元112、原边均压电阻单元113和原边控制单元114。副边模块13包括副边变压单元131、副边开关单元132和副边控制单元133。

其中，原边开关单元111与电压输入侧20连接，用于将电压输入侧20传递的第一直流电压输入至装置10，或实现装置10与电压输入侧20的隔离；原边变压单元112，与原边开关单元111连接，用于将第一直流电压转换为第一交流电压；原边均压单元113，与原边变压单元112并联，用于根据第一直流电压的变化状态，对原边模块11进行相应的均压保护；原边控制单元114，用于控制原边开关单元111的通断、控制原边变压单元112的电压转换以及控制原边均压单元113进行均压保护。

变压器模块12与原边变压单元113连接，用于将第一交流电压转换为第二交流电压。

副边变压单元131，与变压器模块12连接，用于将第二交流电压转换为第二直流电压；副边开关单元132，分别与副边变压单元131和电压输出侧30连接，用于输出第二直流电压至电压输出侧30，或实现装置10与电压输出侧30的隔离；副边控制单元133，用于控制副边变压单元131的电压转换以及副边开关单元132的通断。

本公开中，与装置10相连的电压输入侧20和电压输出侧30，其具体实现方式不受限定，可以是任意符合装置10连接要求的设备，在一个示例中，电压输入侧20可以是任意形式的直流电源，如蓄电池、稳压电源、低压直流微网以及高压直流配电网等；在一个示例中，电压输入侧20可以是与装置10结构相同的另一电压变换装置；在一个示例中，电压输出侧30可以是任意形式的负载，如车载电池、电子元件以及电气设备等，这些负载可以是单一负载，也可以是多个负载，在负载的数目为多个时，负载之间的连接方式同样不受限定；在一个示例中，电压输出侧30可以是与装置10结构相同的另一电压变换装置。由于电压输入侧20的实现方式不受限定，因此电压输入侧20的输入电压值同样不受限定，在一个示例中，电压输入侧的输入电压可以是±375V，在一个示例中，电压输入侧的输入电压可以是±10kV。由于电压输出侧30的实现方式不受限定，因此电压输出侧30所消耗的功率也不受限定，根据实际连接情况进行确定。由于电压输入侧20的输入电压和电压输出侧30所消耗的功率均可能存在不同，因此装置10可以在使用时，可以进行任意形式的连接组合，来满足电压输入侧20和电压输出侧30的需求。在一个示例中，装置10可以串联使用，串联的数目不受限定，在一个示例中，装置10可以并联使用，并联的数目同样不受限定。

通过上述装置10公开的结构可以看出，该装置10在使用时，电压输入侧10传递的第一直流电压首先经过原边开关单元111，原边控制单元114判断装置10是否可用于进行变压，如果可用则控制原边开关单元111导通，使得第一直流电压输入到装置10的内部，如果不可用则控制原边开关单元111导通，使得装置10与电压输入侧20相互之间隔离；在原边开关单元111导通时，原边变压单元112可以在原边控制单元114的控制下，对第一直流电压进行变压，实现直流至交流的变换，从而得到第一交流电压，得到的第一交流电压可以输入至变压器模块12，变压器模块12对第一交流电压进行变压，实现交流至交流的变化，从而改变电压值，得到第二交流电压并输出到副边变压单元131，副边变压单元131在副边控制单元133的控制下，对第二交流电压再进行变压，实现交流至直流的变换，从而得到电压输出侧所需的第二直流电压，此时副边控制单元会判断是否可将第二直流电压输出至输出电压侧30，如果可以则控制副边开关单元132导通，使得第二直流电压输出至电压输出侧30，在不可以时控制副边开关单元132断开，使得装置10与电压输出侧30相互隔离。这一过程中的第一直流电压、第一交流电压、第二交流电压和第二直流电压，其具体的电压值均不受限定，可以根据实际情况灵活选择。

通过上述过程可以看出，装置10在实现电压变换时，可以通过变压器模块12，实现原边模块11和副边模块12之间的电气隔离，从而提高装置10电压变换的安全性和稳定性。同时，通过设置原边开关单元111和副边开关单元132，可以灵活的将装置10与电压输入侧20和电压输出侧30进行隔离，避免由于装置10的故障等情况，对相连的电压输入侧20和电压输出侧30造成影响或损伤，同时，在多个装置10串联或并联的情况下，如某一装置发生故障，利用原边开关单元111或副边开关单元132，也可以在不影响整个串联或并联电路的情况下，将故障装置退出连接电路，从而提高装置所在电路、设备或系统的稳定性。另外，原边均压单元113的设置，可以在装置10内部电流发生快速变化时，对原边模块11实现均压保护，这种均压保护可以有效的应用在多个装置10的情况下，在一种可能的情况中，装置10可能被串联在某一电路中，此时在装置10接收到第一直流电压时，可能由于串联使用发生初始充电电压发散的情况，导致整个装置10无法启动，此时原边均压单元113可以在原边控制单元114的控制下调整均压电阻，从而实现对原边模块11的均压充电，保证装置10的正常启动。

原边开关单元111的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，可以只包含一个受控开关，也可以包含多个受控开关，在包含多个受控开关时，其具体的组合连接方式也可以根据实际情况进行设定，受控开关具体的实现方式也不受限定，可以是机械开关，也可以是电子开关。

在一种可能的实现方式中，原边开关单元111可以包括机械开关子单元和原边静态开关子单元。其中，机械开关子单元，分别与电压输入侧20、原边静态开关子单元和原边控制单元114连接；原边静态开关子单元，分别与电压输入侧20、原边变压单元112和原边控制单元114连接；机械开关子单元和原边静态开关子单元相互配合，用于在原边控制单元114的控制下，将第一直流电压输入至装置10，或实现装置10与电压输入侧20的隔离。

机械开关子单元的具体实现形式不受限定，在一种可能的实现方式中，机械开关子单元可以包括机械开关和脉冲触发板。其中，机械开关分别与电压输入侧20和原边静态开关子单元连接，用于在导通状态下实现装置10与电压输入侧20的隔离，在非导通状态下将第一直流电压输入至装置10；脉冲触发板，固定于机械开关的外侧并与原边控制单元114连接，用于在原边控制单元114的控制下，实现机械开关的导通。

原边静态开关子单元的具体实现形式不受限定，在一种可能的实现方式中，原边静态开关子单元可以包括：第一双管绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一双管IGBT，分别与电压输入侧20、机械开关子单元、原边变压单元112和原边控制单元114连接，用于在原边控制单元114的控制下，将第一直流电压输入至装置10，或通过与机械开关子单元配合实现装置10与电压输入侧20的隔离。

双管IGBT的具体结构可以根据实际情况灵活选择，在一种可能的实现方式中，第一双管IGBT可以包括：第一IGBT和第二IGBT，第一IGBT的发射极与第二IGBT的集电极连接，第一IGBT，还分别与电压输入侧20、原边变压单元112和原边控制单元114连接，用于在原边控制单元114的控制下，在导通时将第一直流电压输入至装置10；第二IGBT，还分别与电压输入侧20、机械开关子单元和原边控制单元114连接，用于在原边控制单元114的控制下，在导通时实现装置10与电压输入侧20的隔离。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的原边开关单元111的具体实现形式。图2示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，原边开关单元111可以包括一个机械开关KM1和一个双管IGBT，即图中的S13，机械开关KM1外部还固定一个图中未画出的脉冲触发板，脉冲触发板可以根据原边控制单元114发出的控制信号进行动作，脉冲触发板的具体实现形式不受限定，在本示例中，脉冲触发板可以是工作电源为400V的触发板，且能接收原边控制单元114发出的5V的导通指令脉冲。S13作为双管IGBT，具体由两个相互连接IGBT实现，在本示例中这两个IGBT按照图示的上下排列关系，分别记为上管IGBT和下管IGBT，从图中可以看出，在本示例中，上管IGBT和下管IGBT的结构相同，每个IGBT包含一个IGBT芯片和与之反并联的二极管芯片；上管IGBT的发射极与下管IGBT的集电极相连，构成S13，上管IGBT和下管IGBT可以根据原边控制单元114发出的控制信号，来执行相应动作，同时S13还可以将内部的负温度系数(NTC，Negative Temperature Coefficient)测温电阻数据，传递给原边控制单元114。从图中可以看出，KM1和S13在原边模块11内的具体连接关系为：电压输入侧20输入的第一直流电压，其正极输入端口为HDC+，负极输入端口为HDC-，此时机械开关KM1的静触头A1与正极输入端口HDC+连接，动触头A2与负极输入端口HDC-连接，从机械开关KM1的静触头A1引出的接线端子，与S13中的中性点端子连接，其中，双管IGBT的中性点端子指双管IGBT内上管IGBT的发射极与下管IGBT的集电极相连处引出的端子，此外，S13中上管IGBT的集电极连接到原边变压单元112的正极接线端HVDC+处，S13中下管IGBT的发射极分别与第一直流电压的负极输入端口HDC-以及原边变压单元112的负极接线端HVDC-处。基于本示例中的拓扑结构，可以看出，S13中的下管IGBT与机械开关KM1并联，S13中的上管IGBT串联于电压输入侧20和原边变压单元112之间，因此，在本示例中的原边开关单元111工作时，原边控制单元114控制S13中的上管IGBT导通时，可以将第一直流电压输入到装置10中；而当原边控制单元控制S13中的下管IGBT或机械开关KM1导通时，电压输入侧20可以通过导通的KM1或导通的下管IGBT构成闭合回路，此时可以将装置10与电压输入侧20的隔离，实现装置10的旁路。原边控制单元114在何种情况下发出控制信号，来操纵KM1、上管IGBT和下管IGBT的导通状态，可以根据实际情况来进行具体设定，在一个示例中，原边控制单元114可以在检测到装置10发生低压大电流短路的情况下，同时控制闭合KM1和下管IGBT，而在其他需要将装置10和电压输入侧20的隔离情况下，可以只闭合KM1来实现装置10的旁路。此外，由于本示例中S13的实现形式是上管IGBT的发射极与下管IGBT的集电极互联，因此，S13在受到原边控制单元114的控制，实现闭锁后，只可以实现单向电流的截止，即只能截止电压输入侧20向装置10侧流向的电流，而无法截止装置10侧流向电压输入侧20流向的电流。

通过原边开关单元111的公开示例，可以看出，利用原边开关单元，可以在装置10发生故障时，及时将装置10旁路，从而避免对装置10和电压输入侧20的设备造成损坏。基于此原边开关单元，在多个装置10进行串联应用时，为了避免单个装置故障影响整个系统运行，可以利用原边开关单元实现在线旁路功能，当个别装置出现故障或者通讯问题时，可及时旁路掉对应装置，不影响整个系统的功能和性能；当多个装置10进行并联应用时，为了避免装置并联使用出现的环流、出力不均而损坏模块的问题，可以通过原边控制单元114控制原边开关单元111切断装置电流而实现退出故障模块。同时，基于原边开关单元111的拓扑结构，其设置的原边静态开关子单元，还可以扩展装置10的输入电压范围。

原边变压单元112的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，由于原边变压单元112实现的功能为直流至交流的变换，而副边变压单元131实现的功能为交流至直流的变换，因此原边变压单元112和副边变压单元131的实现方式具有相似性。

在一种可能的实现方式中，原边变压单元112可以包括：原边单相全桥逆变器和原边直流支撑电容，原边直流支撑电容，分别与原边开关单元111和原边单相全桥逆变器连接，用于储存来自于电压输入侧20的直流电能以供原边单相全桥逆变器使用；原边单相全桥逆变器，分别与原边直流支撑电容、原边控制单元114和变压器模块12连接，用于在原边控制单元114的控制下，将第一直流电压转换为第一交流电压，并将第一交流电压传输至变压器模块12；副边变压单元131可以包括：副边单相全桥逆变器和副边直流支撑电容，副边单相全桥逆变器，分别与变压器模块12、副边直流支撑电容和副边控制单元133连接，用于在副边控制单元133的控制下，将第二交流电压转换为第二直流电压，并将第二直流电压传输至副边直流支撑电容；副边直流支撑电容，分别与副边单相全桥逆变器和副边开关单元132连接，用于储存经由变压器模块12传递的直流电能以供电压输出侧30使用。

原边单相全桥逆变器和副边单相全桥逆变器的具体实现形式可以灵活选择，在一种可能的实现方式中，原边单相全桥逆变器包括：第二双管IGBT和第三双管IGBT，第二双管IGBT与第三双管IGBT构成第一单相全桥逆变电路，第一单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与原边直流支撑电容连接，第一单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与变压器模块12连接，第一单相全桥逆变电路还与原边控制单元114连接，在原边控制单元114的控制下，将第一直流电压转换为第一交流电压；副边单相全桥逆变器包括：第四双管IGBT和第五双管IGBT，第四双管IGBT与第五双管IGBT构成第二单相全桥逆变电路，第二单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与副边直流支撑电容连接，第二单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与变压器模块12连接，第二单相全桥逆变电路还与副边控制单元133连接，在副边控制单元133的控制下，将第二交流电压转换为第二直流电压。

在一种可能的实现方式中，原边单相全桥逆变器还可以包括：第一吸收电容和第二吸收电容，第一吸收电容并联于第二双管IGBT的两端，用于吸收第二双管IGBT产生的电压尖峰；第二吸收电容并联于第三双管IGBT的两端，用于吸收第三双管IGBT产生的电压尖峰；副边单相全桥逆变器还可以包括：第三吸收电容和第四吸收电容，第三吸收电容并联于第四双管IGBT的两端，用于吸收第四双管IGBT产生的电压尖峰；第四吸收电容并联于第五双管IGBT的两端，用于吸收第五双管IGBT产生的电压尖峰。

在一种可能的实现方式中，原边变压单元112还可以包括原边取能电源，原边取能电源分别与原边开关单元111和原边控制单元114连接，用于利用来自于电压输入侧20的直流电能，为原边开关单元111和原边控制单元114供电；副边变压单元131还可以包括副边取能电源，副边取能电源分别与副边开关单元132和副边控制单元133连接，用于利用经由变压器模块12传递的直流电能，为副边控制单元133供电。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的原边变压单元112的具体实现形式。图3示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，图3中的端子标号可以参见图12，如图所示，在一个示例中，原边变压单元112主要由原边单相全桥逆变器、原边直流支撑电容Cbus1以及原边取能电源DY1构成，其中，原边直流支撑电容Cbus1并联在原边变压单元112的正极接线端HVDC+和负极接线端HVDC-之间，可以对经由原边开关单元111输入的第一直流电流进行滤波，并储存直流电能，以供原边单相全桥逆变器使用；此外，原边取能电源DY1的正极端子VIN+和负极端子VIN-则分别连接至HVDC+和HVDC-之间，从而使得DY1直接从经过原边开关单元111输入的第一直流电流处取能，然后再利用DY1的输出端子为原边模块11内需要供能的部件进行供能，本示例中，原边模块11内的机械开关KM1和原边控制单元均需要供电，因此DY1分别向KM1和原边控制单元供电，DY1的具体实现形式、输入电压的电压值以及输出电压的电压值均不受限定，可以根据实际情况进行选择，在一个示例中，DY1为隔离型高位取能开关，其内部包含隔离变压器使得DY1内部的输入和输出侧电气隔离，本示例中的DY1含一路输入电压，范围可以在200V～1600V之间，同时含两路独立的输出电压，一路为400V来为KM1供电，另一路为15V来为原边控制单元114供电；在一个示例中，DY1可以不从原边变压单元112内取能，而是从外部取能，如从220V交流电中取能，在DY1从原边变压单元112内部取能时，装置10可以实现自取能，即无需额外外接其他供电设备为装置10供电，这样可以增加装置10使用的灵活程度，减轻甚至摆脱地域限制。从图中还可以看出，原边单相全桥逆变器的结构主要包括两个双管IGBT，分别记为S11和S12以及两个吸收电容C11和C12，其中S11和S12的结构与S13相同，在此不再赘述，在一个示例中，S11和S12在原边变压单元112的具体连接方式可以为：S11和S12分别构成单相全桥逆变电路的两相，二者均受原边变压控制单元114的控制，且二者可以将内部的NTC测温电阻数据传递给原边控制单元114，S11和S12内上管IGBT的集电极均连接到HVDC+中，S11和S12内下管IGBT的发射极均连接到HVDC-中，S11的中性点端子引出线作为单相全桥逆变电路的L相端子母线ACL1，S12的中性点单子引出线作为单相全桥逆变电路的N相端子母线ACN1，ACL1和ACN1连接到后级的变压器模块12中，根据原边控制单元114的控制，S11和S12构成的单相全桥逆变电路可以将第一直流电压变换为第一交流电压，并通过ACL1和ACN1，将第一交流电压输入到变压器模块12中。除此之外，在S11的上管集电极和下管发射极之间，还并联了一个吸收电容C11，在S12的上管集电极和下管发射极之间，还并联了一个吸收电容C12，在一个示例中，C11和C12都是高频缓冲电容，可以用来吸收S11和S12在开通或关断时，产生的电压尖峰，从而对原边变压单元112进行进一步的保护。

基于上述公开结构的灵活组合，同样可以根据实际需求得到相应的副边变压单元131的具体实现形式。图4示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，图4中的端子标号可以参见图12，如图所示，可以看出，副边变压单元131和原边变压单元112的结构基本一致，因此其具体的连接和功能实现方式在此不再赘述，从图中可以看出，副边变压单元131引出的L相母线为ACL2，N相母线为ACN2，二者与变压器模块12连接，变压后得到的第二直流电压，以LVDC+和LVDC-两个端子的形式，输出至副边开关单元132中。在一个示例中，副边变压单元131和原边变压单元112的区别在于，副边变压单元131内的副边取能电源DY2，只输出了一路15V电压，为副边控制单元133供电。此外，在副边变压单元131内，还在副边直流支撑电容Cbus2的两端，并联了一个电阻板R21，用来对副边变压单元131进行均压保护，该电阻板R21的实现形式不受限定，可以根据实际情况灵活选择，在一个示例中，R21可以为固定投入式电阻板，包含一个正极对地电阻和一个负极对地电阻，二者阻值相同，正极对地电阻和负极对地电阻之间的中性点直接接地。

通过原边变压单元112和副边变压单元131的公开示例，可以看出，利用单相全桥逆变电路，可以实现直流电压和交流电压之间的相互转化，为实现装置10的变压功能作初步准备，同时设置了直流支撑电容，可以进行滤波和储能，减少了能源的损耗，在单相全桥逆变电路中并联了吸收电容，可以增强电路的稳定性，继而增强装置10的稳定性和安全性，同时还设置了取能电源，可以实现装置10的自取能，增强装置10使用的灵活性，减少地域限制。

原边均压单元113的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，任何可以基于第一直流电压的变化状态对原边模块11进行相应均压保护的方式，均可作为原边均压单元113的实现形式。

在一种可能的实现方式中，原边均压单元113可以包括可变均压子单元和第一电阻板，可变均压子单元，与原边控制单元114连接，用于在原边控制单元114的控制下，与原边变压单元112并联或退出原边模块11，对原边模块11进行动态均压保护；第一电阻板，与原边变压单元112并联，用于对原边模块11进行静态均压保护。

在一种可能的实现方式中，可变均压子单元可以包括第二电阻板和金属氧化物半导体型场效应MOS管，第二电阻板，与MOS管连接，在MOS管导通时与原边变压单元112并联，在MOS管不导通时退出原边模块11，以实现对原边模块11进行动态均压保护；MOS管，与原边控制单元114连接，用于在原边控制单元的控制下，切换导通状态。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的原边均压单元113的具体实现形式。图5示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，原边均压单元113可以包括可变均压子单元和电阻板R12，电阻板R12的实现形式不受限定，在一个示例中，R12可以为固定投入式电阻板，包含1个正极对地电阻和1个负极对地电阻，两个电阻阻值相同，且正负极电阻的中性点直接接地，具体的阻值在此不受限定，R12的两端分别与HVDC+和HVDC-相连，从而与原边变压单元112的并联，通过分压实现对原边模块10的均压保护。从图中还可以看出，在一个示例中，可变均压子单元可以由一个电阻板R11串联一个MOS管实现，R11的实现形式同样不受限定，在一个示例中，R11可以与R12具有相同的结构和阻值，R11的一端可以与HVDC+连接，另一端与连接MOS管，MOS管的另一端与HVDC-连接，从而R11在与MOS管串联后，与原边变压单元112并联，MOS管可以根据原边控制单元114的控制脉冲实现导通和断开，在MOS管导通时，R11也会并联在原边变压单元112的两端，此时原边均压单元113的均压阻值为R11和R12的并联阻值，在MOS管断开时，R11未接入到原边模块11内，此时原边均压单元113的均压阻值仅为R12的阻值。

通过在原边均压单元113中引入可变均压子单元，可以根据原边控制单元114的控制，调节原边模块11内的均压阻值，在多个装置10串联时，可能会发送初始充电电压发散的情况，导致装置10无法启动，此时由于可变均压子单元的存在，原边控制单元114可以控制MOS管导通，使得装置10在设备启动前投入小电阻，从而稳定装置10均压充电过程，在装置10成功启动后，可以控制MOS管断开，使得R11退出原边模块11，从而使得原边模块内的均压电阻阻值增大，来减小装置10损耗。

原边控制单元114的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，由于原边控制单元114实现的功能是基于原边模块11的拓扑结构来实现的，而副边控制单元133实现的功能是基于副边模块13的拓扑结构来实现的，且原边模块11和副边模块13的拓扑结构基本对称，因此原边控制单元114和副边控制单元133的实现方式具有相似性。

在一种可能的实现方式中，原边控制单元114包括第一采样子单元和第一控制板，第一采样子单元，分别与原边开关单元111和原边变压单元112连接，用于对原边模块11的电压和电流进行采样；第一控制板，用于根据第一采样单元的采样结果，控制原边开关单元111的通断、控制原边变压单元112的电压转换以及控制原边均压单元113进行均压保护；副边控制单元133包括：第二采样子单元和第二控制板，第二采样子单元，分别与副边开关单元132和副边变压单元131连接，用于对副边模块13的电压和电流进行采样；第二控制板，用于根据第二采样单元的采样结果，控制副边开关单元132的通断以及副边变压单元131的电压转换。

在一种可能的实现方式中，第一采样子单元可以包括：第一电压采集器、第二电压采集器和第一电流采集器，第一电压采集器，分别与原边开关单元111和第一控制板连接；第二电压采集器，分别与原边变压单元112和第一控制板连接；第一电流采集器，分别与原边变压单元112、变压器模块12和第一控制板连接；第二采样子单元包括：第三电压采集器、第二电流采集器和第三电流采集器，第三电压采集器，分别与副边变压单元131和第二控制板连接；第二电流采集器，分别与电压输出侧30、副边开关单元132和第二控制板连接；第三电流采集器，分别与副边变压单元131、变压器模块12和第二控制板连接。

在一种可能的实现方式中，第一控制板上设有第一同步脉冲光纤接口，第二控制板上设有第二同步脉冲光纤接口，第一同步脉冲光纤接口和第二同步脉冲光纤接口相互连接。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的原边控制单元114的具体实现形式。图6示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，原边控制单元114由2个电压采样装置LV11和LV12、1个电流采样装置LA11以及1个控制板构成，控制板被记为第一控制板，从图中可以看出，在一个示例中，LV11的采样点跨接在HDC+和HDC-之间，用来采集原边开关单元111之前的初始直流电压数据，LV11的采样线可以直接引至第一控制板，LV12的采样点跨接在HVDC+和HVDC-之间，用来采集原边开关单元11之后，流进原边变压单元112的直流母线电压数据，LV12的采样线也可以直接引至第一控制板，LA11电流采集器可以串联在原边变压单元112与变压器模块12之间，在一个示例中，LA11的具体位置可以是在S12与变压器模块12之间，用来采集流入变压器模块12的电流数据，LA11的采样线也可以直接引至第一控制板，这样，第一控制板在接收到LV11、LV12和LA11采集到的数据后，可以结合其他数据进行计算判断，然后对原边模块11执行对应的控制操作。

第一控制板的实现形式同样不受限定，图7示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，第一控制板上可以具有多个对外接口和对内接口，在一个示例中，第一控制板含有4路IGBT驱动脉冲信号接口，1个MOS管驱动脉冲信号接口，1路机械开关控制触发信号、辅助节点位置和控制电源报警信号端口，1对连接上级控制器的光纤接口，1对连接副边控制单元133的同步光纤接口，2个15V控制器工作电源接口，1个程序烧写接口，2路±15V电源接口及其电流二次信号接口，2路直流电压采集接口，7路PT100温度传感器测温接口，这些接口可以全部使用，也可以根据原边模块11的拓扑结构，省略其中部分接口，在一个示例中，第一控制器接口的具体连接方式为：X2端子和X3端子与LV11的采样线连接，X6端子与机械开关KM1的辅助触点5V/KJBP连接，接收DY1输出的400V电压来为KM1供电，并向KM1的触头A1和A2发送电压动作信号，X3端子向S13发送控制脉冲，X12端子接收S13内部的NTC测温电阻数据，X1端子接收DY1输出的15V电压，X3端子和X4端子还与LV12的采样线连接，X10端子与S11内NTC测温电阻引出线连接，X11端子与S12内NTC测温电阻的引出线连接，X15与变压器模块12的测温电阻引出线连接，J11端子向S11发送控制脉冲，J12端子向S12发送控制脉冲，J6端子与LA11的二次信号连接，同时J6端子还引出第一控制板工作的±15V电源，J20端子和J9端子与副边控制单元中的第二控制板连接，用来同步原边控制单元和副边控制单元的控制板信号。利用上述接口，共提供了3路IGBT驱动脉冲；1路MOS管驱动脉冲，接入了1路机械开关的触发、幅值节点位置和控制电源报警节点信息；1对同步脉冲光纤；1路15V控制器工作电源，3路IGBT模块的温度数据，2路直流电压采集线；提供了一路电流采集器的±15V工作电源，并接入了电流采集器的二次信号。第一控制板具体如何根据接入的信号，对原边模块11内各单元进行控制，并不受具体限定，可以根据实际情况设定第一控制板的控制调节和控制过程，任何符合原边模块11拓扑结构要求的控制过程，均可以作为相应的控制方式。在一个示例中，控制板可以实现IGBT故障报警、IGBT过温保护、电感过温保护和隔离变压器过温保护、直流过电压保护、机械开关控制电源故障报警保护和通讯中断报告等。控制板实时监测各个单元的工作信息，当有单元存在运行状态异常，达到保护阈值后，阈值可以根据情况设定，在此不做限定，控制板会闭锁全部IGBT，以切断IGBT内的故障电流；同时控制板利用上行通讯光纤将保护信息上送到上级控制器，由上级控制器根据当前系统运行条件判断是否跳开外部开关进入整机停机逻辑。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的副边控制单元133的具体实现形式。图8示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，副边控制单元133由2个电流采样装置LA21和LA22、1个电压采样装置LV21以及1个控制板构成，控制板被记为第二控制板，从图中可以看出，在一个示例中，LA21可以串联在变压器模块12和副边变压单元131之间，LA22可以串联在副边变压单元131的负极母线靠近电压输出侧30的出口处，LV21可以并联在副边变压单元131之中，用来采集副边变压单元的输出电压，LA21、LA22和LV21的具体的接线方式与原边控制单元内部的接线方式类似，具体的接线端子可以从图8中得到，在此不再赘述，副边控制单元采集到的电流和电压数据，最终都输入到第二控制板中。

第二控制板的实现形式同样不受限定，图9示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，从图中可以看出，本示例中第二控制板的结构与图7中第二控制板的结构完全相同。第二控制板上可以具有多个对外接口和对内接口，在一个示例中，第二控制板可以与第一控制板具有完全相同的结构，具体端子的接入方式可以根据副边模块13的拓扑结构确定，在此不再赘述，在一个示例中，第二控制板共引出了4路IGBT模块控制脉冲；接入了3路IGBT温度采样数据，1个直流电感温度数据和1个隔离变压器温度数据，其中副边开关单元132中的模块内部共用散热片和PT100测温电阻，所以共用1路测温通道；第二控制板采集了一路直流电压数据；接入了1对来自第一控制板的同步脉冲光纤接口，引出了1对反映自身工作状态的光纤接口至上级控制器。

在一个示例中，第一控制板和第二控制板各有一对同步脉冲光纤接口，用来同步原边模块11和副边模块13的控制指令和信号。副边模块13内的第二控制板的一对工作状态光纤接入到上级控制器中，第二控制板作为装置10的总控制器，负责控制原边模块11中第一控制板的工作指令和监视工作状态。在一个示例中，电流采集器采集的二次信号可以直接传送至对应控制板，也可通过光电转换板，将电信号转换为光信号，按照FT3格式的光编码传送给其他控制设备或者采集单元。在一个示例中，电压采集器还可以包含过电压检测回路，可以直接触发过电压保护，电压采集器的实现形式不受限制，在一个示例中，电压采集器的采样范围可以为0～1600V，过电压保护动作值可以为1000V。

通过原边控制单元114和副边控制单元133，可以在控制装置10实现电压变换功能的基础上，对装置10进行多方面保护，如IGBT故障报警，IGBT过温保护，电感过温保护和隔离变压器过温保护，直流过电压保护，机械开关控制电源故障报警保护和通讯中断报告等，从而提高了装置10的安全性能，减小了装置10和与之连接的装置受到损坏的风险。

变压器模块12的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，任何可以实现交流至交流电压变换的方式，均可作为变压器模块12的实现形式。

在一种可能的实现方式中，变压器模块12可以包括高频隔离变压单元，高频隔离变压单元的输入端与原边变压单元112连接，输出端与副边变压单元131连接，用于将第一交流电压转换为第二交流电压。

在一种可能的实现方式中，高频隔离变压单元可以包括谐振电容、谐振电感、高频隔离变压器和滤波电容，原边变压单元112、谐振电容、谐振电感和高频隔离变压器的输入端依次串联构成第一回路；副边变压单元131、滤波电容和高频隔离变压器的输出端依次串联构成第二回路。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的变压模块12的具体实现形式。图10示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，变压模块12可以包括谐振电容C3、谐振电感L1、高频隔离变压器DB和滤波电容C4，原边变压单元112输出的ACL1交流母线先接入谐振电容C3，然后再接入谐振电感L1中，L1输出端口接入隔离变压器DB的同名端A*处，DB副边侧同名端a*引出线接至滤波隔直电容C4，从C4另一端子引出副边侧交流L相ACL2母线，DB副边侧非同名端b引出线作为副边侧交流N相ACN2母线，隔离变压器内部还可以包含PT100测温电阻，其测温数据传输至副边模块13的第二控制器内。在一个示例中，高频隔离变压器DB的漏感较小可忽略，谐振电感L1主要构成了隔离变压器的励磁电感，即励磁电感为独立外置安装作为谐振电感使用。

副边开关单元132的实现方式可以根据实际情况进行具体设定，可以只包含一个受控开关，也可以包含多个受控开关，在包含多个受控开关时，其具体的组合连接方式也可以根据实际情况进行设定，受控开关具体的实现方式也不受限定，可以是机械开关，也可以是电子开关。

在一种可能的实现方式中，副边开关单元132可以包括第一单管IGBT、第二单管IGBT和直流电容，第一单管IGBT包括第三IGBT，第二单管IGBT包括第四IGBT，第三IGBT的发射极与副边变压模块131连接，第三IGBT的集电极与第四IGBT的集电极连接，第四IGBT的发射极与电压输出侧30连接，第三IGBT和第四IGBT还均与副边控制单元133连接，用于在副边控制单元133的控制下，在导通状态下输出第二直流电压至电压输出侧30，在非导通状态下实现装置10与电压输出侧的隔离；直流电容分别与第一单管IGBT、第二单管IGBT和电压输出侧30连接，用于在第一单管IGBT不导通时与电压输出侧30构成通路。

在一种可能的实现方式中，副边开关单元132还包括直流电感，直流电感分别与第二单管IGBT和电压输出侧30连接，用于进行低通滤波和限流。

在一种可能的实现方式中，副边开关单元132还包括熔断器，熔断器分别与第二单管IGBT和电压输出侧30连接，用于进行限流保护。

基于上述公开结构的灵活组合，可以根据实际需求得到相应的副边开关单元132的具体实现形式。图11示出根据本公开一实施例的电压变换装置的结构示意图，如图所示，在一个示例中，副边开关单元132可以包括2个单管IGBT，即图中的S23和S24，以及直流电感L2、直流电容C28和熔断器FU21，单管IGBT具体由1个IGBT实现，每个IGBT包含一个IGBT芯片和与之反并联的二极管芯片，从图中可以看出，S23的发射极作为副边开关单元132的输入端口，S24模块的发射极作为副边开关单元132的输出端口，S23的集电极和S24的集电极短接，S23和S24均受副边控制单元133控制，S23和S24共用散热片和测温电阻，测温电阻安装在其中一个IGBT的正下方，测温电阻二次线直接接至副边控制单元133；C28为直流滤波电容器，S23和S24断开回路时，起到回路续流的作用，C28的一极接至S23和S24之间的集电极，C28的另一极接至副边模块13输出到电压输出侧30的负极直流母线LDC-处；S24的发射极引出线先经过直流电感L2和熔断器FU21后，引出线作为副边模块13输出到电压输出侧30的正极直流母线LDC+的端口。

通过副边开关单元132的公开示例，可以看出，利用副边开关单元，可以在装置10发生故障时，及时将装置10旁路，从而避免对装置10和电压输出侧30的设备造成损坏。同时，副边开关单元132内串联的直流电感，可以作为低通滤波和限流电抗，提高装置10的稳定性，熔断器串联在直流电感之后，靠近电压输出侧30，可以进一步起到限流保护作用，提高装置10的安全性。

图12示出本公开一应用示例的示意图，该应用示例仅为便于理解本公开实施例，不对公开实施例进行限制。

如图12所示，为电压变换装置的拓扑结构图，从图中可以看出，该装置主要包括原边模块、变压器模块和副边模块三部分，其单元划分与上述公开内容一致，在此不再赘述。

如图所示，在原边模块中，HDC+和HDC-为电压输入侧正极和负极的输入端口，电压LV11采样点跨接在HDC+和HDC-之间，用来采集原边开关单元之前的初始直流电压数据，LV11的采样线直接引至控制器X2端子和X3端子；机械开关KM1的静触头A1并联在HDC+，动触头A2并联在HDC-，A1和A2之间的电压动作信号来源于原边控制单元的第一控制板的X6端子，KM1的辅助触点5V/KJBP引至第一控制板的X6端子，从KM1静触头引出的正极接线端子接入到电子开关S13中性点端子，实现KM1和S13的下管IGBT并联，经由S13和KM1，引出HVDC-和HVDC+连接；S13的上管IGBT串联在主电路中，与HVDC+连接，S13控制脉冲来源于第一控制板的X3端子，S13内部的NTC测温电阻数据直接接入到第一控制板的X12端子。

取能电源DY1的正极端子VIN+接至HVDC+，负极端子VIN-接至HVDC-，DY1直接从直流母线取输入电源，DY1输出的400V直接接入到第一控制板的X6端子，DY1输出的15V直接接入到第一控制板的X1端子；R11为可投退式电阻板，采用MOSFET管电子开关实现电阻板的投入或者退出，MOSFET管的控制脉冲取自第一控制板，R11电阻板共包含1个正极对地电阻和1个负极对地电阻，两个电阻值相同，正负极电阻的中性点直接接地；R12为固定投入式电阻板，包含1个正极对地电阻和1个负极对地电阻，R12板卡电阻值与R11板卡电阻值相同，并且均并联在直流母线HVDC+和HVDC-上；在HVDC+和HVDC-上取1个直流电压LV12的采样点，LV12的采样线直接引至第一控制板的X3端子和X4端子，用来采集S13之后流进原边变压单元的直流母线电压数据；直流支撑电容Cbus1并联在HVDC+和HVDC-之间，滤波并储存直流电能供后级原边变压单元所用。

原边变压单元由单相全桥逆变电路主要实现，单相全桥逆变电路主要由2个双管IGBT，S11和S12，以及2个吸收电容，C11和C12组成，其中S11和S12组成单相全桥逆变电路的两相，S11的中性点端子引出线作为L相ACL1母线，S12的中性点端子引出线作为N相ACN1母线，S11的控制脉冲来源于第一控制板的J11端子，S12的控制脉冲来源于第一控制板的J12端子，S11内部的NTC测温电阻引出线接至第一控制板的X10端子，S12内部的NTC测温电阻引出线接至第一控制板的X11端子。C11并联在S11的上下两端之间，C12并联在S12的上下两端之间，C11和C12都是高频缓冲吸收电容，用来吸收IGBT开通或者关断时的电压尖峰。S12的中性点端子引出的N线直接连接至高频隔离变压器DB的原边侧非同名端口B，LA11电流采集器串联在S12和高频隔离变压器DB之间，用来采集流进高频隔离变压器DB的电流数据，电流采集器LA11的二次信号直接接至第一控制板的J6端子，工作的±15V电源也引自第一控制板的J6端子。

第一控制板的J20和J19端子接入副边控制单元中包含的第二控制板的对应J20和J19端子，用来同步两个控制器的控制板信号，做到控制协调一致。

原边模块输出的ACL1交流母线先接入谐振电容C3，然后再接入谐振电感L1中，L1输出端口接入隔离变压器DB的同名端A*处，DB副边侧同名端a*引出线接至滤波隔直电容C4，从C4另一端子引出副边模块的交流L相ACL2母线，DB非同名端b引出线作为副边模块的交流N相ACN2母线，电流采集器LA21串联在ACN2母线上，置于DB的端子b和ACN2端口之间，电流采集器LA21的±15V工作电源取自第二控制板的J6端子，LA21输出的二次信号直接引至第二控制板的J6端子。隔离变压器DB的PT100测温电阻二次出线接至第二控制板的X15端子。

ACL2引线接至S21的中性点端子，ACN2引线接至S22的中性点端子，S21和S22共同组成单相全桥逆变电路，S21和S22中上管IGBT的集电极并联后引出LVDC+，S21和S22中下管IGBT的发射极并联后引出LVDC-，S21内部的NTC测温电阻引线直接接至第二控制板的X10端子，控制脉冲取自第二控制板的J11端子，S22内部的NTC测温电阻引线直接接至第二控制板的X11端子，控制脉冲取自第二控制板的J12端子；C21和C22为缓冲吸收电容，C21并联在S21的上下两端之间，C22并联在S22的上下两端之间；Cbus2为副边直流母线支撑电容器，并联在LVDC+和LVDC-之间，Cbus2滤波储存直流电能之后供给电压输出侧用电；电压采样点LV21并联在LVDC+和LVDC-之间，LV21电压采样一次线缆直接引至第二控制板的X2端子和X3端子，用来采集提供给电压输出侧供电的电压数据；R21为固定投入式电阻板，电阻板共含一个正极对地电阻和一个负极对地电阻，电阻中性点直接接地，正负极电阻阻值相同，电阻板并联在LVDC+和LVDC-之间；取能电源DY2的输入端子VIN+和VIN-分别并联在LVDC+和LVDC-处，DY2输出单路15V电源，直接引至第二控制板的端子，用来提供整个第二控制板的工作电源。

LVDC+串联S23和S24，S23和S24共同组成副边开关单元，S23和S24均只含一个IGBT芯片及其反并联二极管，S23的发射极端子作为副边开关单元的输入端口，S24的发射极端子作为副边开关单元的输出端口，S23的集电极的端子和S24的集电极端子短接，S23的控制脉冲取自第二控制板的J13端子，S24的控制脉冲取自第二控制板的J14端子，S23和S24共用散热片和测温电阻，测温电阻安装在其中一个模块的正下方，测温电阻二次线直接接至第二控制板的X12端口；C28为直流滤波电容器，S23和S24断开回路时，起到回路续流的作用，C28的一极接至S23和S24之间的集电极，C28的另一极接至LDC-；S24的发射极端子引出线先经过直流电感L2和熔断器FU21后，引出线作为LDC+的端口；电流采集器LA22串联在LDC-上，±15V工作电源取自第二控制板的J1端子，LA22输出的二次信号直接接至第二控制板的J1端子。

第二控制板的的J20和J19端子接入第一控制板的对应J20和J19端子，第二控制板的J16和J17端子作为接入上级控制器的上行和下行的通讯接口。

通过本应用示例实现的电压变换装置，通过原边开关单元，可实现装置串联或者并联使用时的在线投退功能；原边均压单元可解决装置串联使用的静态均压发散问题，提高了装置启动的成功率；高频隔离变压器的励磁电感和谐振电感等效后，可简化高频隔离变压器的工艺设计，降低了生产难度，提高了隔离变压器单元的集成灵活性；副边开关单元和其中的直流输出电感可双向截止回路电流，限制输出的短路电流上升时间，并可快速切断回路的故障电流，防止功率逆流等情况；装置内取能电源工作电压范围宽，可兼容交流输入和直流输入的能力，实现了原边模块或者副边模块自启动的功能，进一步满足原边模块或者副边模块均可离网建立电压的需求。原边模块和副边模块的控制板接口丰富，保护功能齐备，并且配置了同步脉冲，可实现原边模块和副边模块的控制完全同步，通过固化不同的执行程序，可实现装置在不同产品中的应用功能。

该装置可以用于直流充电桩或其他类型的充电桩中，作为DCDC模块使用，由于装置在原边模块设置了原边开关单元，因此可以扩展了装置的输入电压范围，并且通过原边开关单元开发了模块在线旁路功能，可以实现装置应用于大功率充电桩内多模块并联使用时模块在线无扰退出；副边模块配置了副边开关单元，其中包含了双向IGBT和滤波/限流电感，可快速切除装置内部或者电压输出侧的短路故障，保证充电桩和负载的安全，而且实现了自取电设计，不依赖于外部交流电源或者直流电源，减少了工程施工和项目成本。根据装置的电路拓扑，此装置应用于充电桩时，除了可以具备充电桩模块的基本功能之外，还集成了车辆到电网(V2G，Vehicle-to-grid)功能，可实现直流功率的双向流动，原边模块、副边模块完全独立控制，控制信号同步，可精准实现高低压之间能量的相互转换，并且内部集成的开关单元，可以实现保护的快速响应，提升了装置的自保护能力。

该装置作为DCDC模块应用于直流充电桩时，同样适用于低压直流微网或者高压直流配电网等应用，在一个示例中，目前研究比较广泛的两个直流电压等级为±10kV和±375V，其中±10kV配电网等级的应用可以利用多个装置作为DCDC模块的串联实现接入，理论上可以无限串联接入，考虑到控制芯片处理能力和控制器的接口能力，实际最多可实现几十个模块串联。考虑到模块串联后可能带来的初始充电模块电压发散，无法启动的问题，原边均压单元中的可在线投切的电阻板，可以实现装置启动前投入小电阻稳定模块均压充电过程，装置启动后退出变成大电阻减小设备损耗的目的。装置串联应用时为了避免单个故障影响整个系统运行，可以使用在线旁路功能，当个别装置出现故障或者通讯问题时，可及时旁路掉故障装置，不影响整机功能和性能；±375V等级应用时可直接接入本装置，电压等级完全满足，当电压输出侧的负载所需功率值较大时，可以多个装置并联，为了避免装置并联使用出现的环流、出力不均而导致损坏的问题，可以控制开关单元切断电流而实现退出故障装置。

根据不同的产品需求，不同的应用场景，对本示例中的可配置不同的控制模式，可服务于充电桩、直流固态变压器或者直流可编程电源等直流型产品的生产制造，做到了一机多用，一专多能，适用性更强。

以上对本公开实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本公开的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (19)

1.一种电压变换装置，其特征在于，所述装置包括：原边模块、变压器模块和副边模块，

所述原边模块，包括：原边开关单元、原边变压单元、原边均压电阻单元和原边控制单元，

所述原边开关单元，与电压输入侧连接，用于将所述电压输入侧传递的第一直流电压输入至所述装置，或实现所述装置与所述电压输入侧的隔离；

所述原边变压单元，与所述原边开关单元连接，用于将所述第一直流电压转换为第一交流电压；

所述原边均压单元，与所述原边变压单元并联，用于根据所述第一直流电压的变化状态，对所述原边模块进行相应的均压保护；

所述原边控制单元，用于控制所述原边开关单元的通断、控制所述原边变压单元的电压转换以及控制所述原边均压单元进行均压保护；

所述变压器模块与原边变压单元连接，用于将第一交流电压转换为第二交流电压；

所述副边模块，包括：副边变压单元、副边开关单元和副边控制单元，

所述副边变压单元，与所述变压器模块连接，用于将第二交流电压转换为第二直流电压；

所述副边开关单元，分别与所述副边变压单元和电压输出侧连接，用于输出所述第二直流电压至所述电压输出侧，或实现所述装置与所述电压输出侧的隔离；

所述副边控制单元，用于控制所述副边变压单元的电压转换以及所述副边开关单元的通断。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原边开关单元包括：机械开关子单元和原边静态开关子单元，

所述机械开关子单元，分别与所述电压输入侧、所述原边静态开关子单元和所述原边控制单元连接；

所述原边静态开关子单元，分别与所述电压输入侧、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接；

所述机械开关子单元和所述原边静态开关子单元相互配合，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压输入至所述装置，或实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述机械开关子单元包括：机械开关和脉冲触发板，

所述机械开关，分别与所述电压输入侧和所述原边静态开关子单元连接，用于在导通状态下实现所述装置与所述电压输入侧的隔离，在非导通状态下将所述第一直流电压输入至所述装置；

所述脉冲触发板，固定于所述机械开关的外侧并与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，实现所述机械开关的导通。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述原边静态开关子单元包括：第一双管绝缘栅双极型晶体管IGBT，

所述第一双管IGBT，分别与所述电压输入侧、所述机械开关子单元、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压输入至所述装置，或通过与所述机械开关子单元配合实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一双管IGBT包括：第一IGBT和第二IGBT，所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极连接，

所述第一IGBT，还分别与所述电压输入侧、所述原边变压单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，在导通时将所述第一直流电压输入至所述装置；

所述第二IGBT，还分别与所述电压输入侧、所述机械开关子单元和所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，在导通时实现所述装置与所述电压输入侧的隔离。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述原边变压单元包括：原边单相全桥逆变器和原边直流支撑电容，

所述原边直流支撑电容，分别与所述原边开关单元和所述原边单相全桥逆变器连接，用于储存来自于所述电压输入侧的直流电能以供所述原边单相全桥逆变器使用；

所述原边单相全桥逆变器，分别与所述原边直流支撑电容、所述原边控制单元和所述变压器模块连接，用于在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压转换为所述第一交流电压，并将所述第一交流电压传输至所述变压器模块；

所述副边变压单元包括：副边单相全桥逆变器和副边直流支撑电容，

所述副边单相全桥逆变器，分别与所述变压器模块、所述副边直流支撑电容和所述副边控制单元连接，用于在所述副边控制单元的控制下，将所述第二交流电压转换为所述第二直流电压，并将所述第二直流电压传输至所述副边直流支撑电容；

所述副边直流支撑电容，分别与所述副边单相全桥逆变器和所述副边开关单元连接，用于储存经由所述变压器模块传递的直流电能以供所述电压输出侧使用。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述原边单相全桥逆变器包括：第二双管IGBT和第三双管IGBT，所述第二双管IGBT与所述第三双管IGBT构成第一单相全桥逆变电路，所述第一单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与所述原边直流支撑电容连接，所述第一单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与所述变压器模块连接，所述第一单相全桥逆变电路还与所述原边控制单元连接，在所述原边控制单元的控制下，将所述第一直流电压转换为所述第一交流电压；

所述副边单相全桥逆变器包括：第四双管IGBT和第五双管IGBT，所述第四双管IGBT与所述第五双管IGBT构成第二单相全桥逆变电路，所述第二单相全桥逆变电路的输入端子与输出端子均与所述副边直流支撑电容连接，所述第二单相全桥逆变电路的L相端子和N相端子均与所述变压器模块连接，所述第二单相全桥逆变电路还与所述副边控制单元连接，在所述副边控制单元的控制下，将所述第二交流电压转换为所述第二直流电压。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，

所述原边单相全桥逆变器还包括：第一吸收电容和第二吸收电容，

所述第一吸收电容并联于所述第二双管IGBT的两端，用于吸收所述第二双管IGBT产生的电压尖峰；

所述第二吸收电容并联于所述第三双管IGBT的两端，用于吸收所述第三双管IGBT产生的电压尖峰；

所述副边单相全桥逆变器还包括：第三吸收电容和第四吸收电容，

所述第三吸收电容并联于所述第四双管IGBT的两端，用于吸收所述第四双管IGBT产生的电压尖峰：

所述第四吸收电容并联于所述第五双管IGBT的两端，用于吸收所述第五双管IGBT产生的电压尖峰。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，

所述原边变压单元还包括：原边取能电源，

所述原边取能电源，分别与所述原边开关单元和所述原边控制单元连接，用于利用来自于所述电压输入侧的直流电能，为所述原边开关单元和所述原边控制单元供电；

所述副边变压单元还包括：副边取能电源，

所述副边取能电源，分别与所述副边开关单元和所述副边控制单元连接，用于利用经由所述变压器模块传递的直流电能，为所述副边控制单元供电。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原边均压单元包括：可变均压子单元和第一电阻板，

所述可变均压子单元，与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，与所述原边变压单元并联或退出所述原边模块，对所述原边模块进行动态均压保护；

所述第一电阻板，与所述原边变压单元并联，用于对所述原边模块进行静态均压保护。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述可变均压子单元包括：第二电阻板和金属氧化物半导体型场效应MOS管，

所述第二电阻板，与所述MOS管连接，在所述MOS管导通时与所述原边变压单元并联，在所述MOS管不导通时退出所述原边模块，以实现对所述原边模块进行动态均压保护；

所述MOS管，与所述原边控制单元连接，用于在所述原边控制单元的控制下，切换导通状态。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述原边控制单元包括：第一采样子单元和第一控制板，

所述第一采样子单元，分别与所述原边开关单元和所述原边变压单元连接，用于对所述原边模块的电压和电流进行采样；

所述第一控制板，用于根据所述第一采样单元的采样结果，控制所述原边开关单元的通断、控制所述原边变压单元的电压转换以及控制所述原边均压单元进行均压保护；

所述副边控制单元包括：第二采样子单元和第二控制板，

所述第二采样子单元，分别与所述副边开关单元和所述副边变压单元连接，用于对所述副边模块的电压和电流进行采样；

所述第二控制板，用于根据所述第二采样单元的采样结果，控制所述副边开关单元的通断以及所述副边变压单元的电压转换。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，

所述第一采样子单元包括：第一电压采集器、第二电压采集器和第一电流采集器，

所述第一电压采集器，分别与所述原边开关单元和所述第一控制板连接；

所述第二电压采集器，分别与所述原边变压单元和所述第一控制板连接；

所述第一电流采集器，分别与所述原边变压单元、变压器模块和所述第一控制板连接；

所述第二采样子单元包括：第三电压采集器、第二电流采集器和第三电流采集器，

所述第三电压采集器，分别与所述副边变压单元和所述第二控制板连接；

所述第二电流采集器，分别与所述电压输出侧、副边开关单元和所述第二控制板连接；

所述第三电流采集器，分别与所述副边变压单元、变压器模块和所述第二控制板连接。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述第一控制板上设有第一同步脉冲光纤接口，所述第二控制板上设有第二同步脉冲光纤接口，所述第一同步脉冲光纤接口和所述第二同步脉冲光纤接口相互连接。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器模块包括：高频隔离变压单元，

所述高频隔离变压单元的输入端与所述原边变压单元连接，输出端与所述副边变压单元连接，用于将所述第一交流电压转换为第二交流电压。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述高频隔离变压单元包括谐振电容、谐振电感、高频隔离变压器和滤波电容，

所述原边变压单元、谐振电容、谐振电感和高频隔离变压器的输入端依次串联构成第一回路；

所述副边变压单元、滤波电容和高频隔离变压器的输出端依次串联构成第二回路。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述副边开关单元包括：第一单管IGBT、第二单管IGBT和直流电容，

所述第一单管IGBT包括第三IGBT，所述第二单管IGBT包括第四IGBT，所述第三IGBT的发射极与所述副边变压模块连接，第三IGBT的集电极与所述第四IGBT的集电极连接，所述第四IGBT的发射极与所述电压输出侧连接，所述第三IGBT和所述第四IGBT还均与所述副边控制单元连接，用于在所述副边控制单元的控制下，在导通状态下输出所述第二直流电压至所述电压输出侧，在非导通状态下实现所述装置与所述电压输出侧的隔离；

所述直流电容分别与所述第一单管IGBT、第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于在所述第一单管IGBT不导通时与所述电压输出侧构成通路。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述副边开关单元还包括：直流电感，

所述直流电感分别与所述第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于进行低通滤波和限流。

19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述副边开关单元还包括：熔断器，

所述熔断器分别与所述第二单管IGBT和所述电压输出侧连接，用于进行限流保护。