CN110829876B - 单相固态变压器的拓扑结构 - Google Patents

单相固态变压器的拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单相固态变压器的拓扑结构，包括：交流电源，所述交流电源的正极端与第一电感的第一端电连接；第一H桥电路，所述第一H桥电路的第一端与所述第一电感的第二端电连接；双向DC‑DC变换器，所述双向DC‑DC变换器的第一端与所述第一H桥电路的第三端电连接；双向buck电路，所述双向buck电路的第一端与所述双向DC‑DC变换器的第一端电连接；第二H桥电路，所述第二H桥电路的第一端与所述双向buck电路的第一端电连接。本发明的单相固态变压器的拓扑结构，无中间储能环节，可以减小整个系统的体积，所述第一H桥电路和所述第二H桥电路开关都工作在工频切换状态，减小了开关损耗，并且可以实现功率双向流动。

Description

单相固态变压器的拓扑结构
技术领域
本发明涉及电子电力技术领域，特别涉及一种单相固态变压器的拓扑结构。
背景技术
传统的工频变压器不仅体积大，功能也比较单一，随着智能电网的迅速发展及各种分布式能源的并网，传统的工频变压器的功能已不能满足现代电力系统的要求，电力电子变压器，又称固态变压器、智能变压器或柔性变压器，是一种通过电力电子技术实现电力系统电压变换和能量传递的新型变压器，电力电子变压器不仅体积小、重量轻，还具有一次、二次侧电压、电流和功率均高度可控、本身有断路器的功能，无需传统的变压器继电保护装置等优点。
目前的电力电子变压器有很多种拓扑结构，一般包括整流级、隔离级和逆变级，隔离级可以采用LC谐振变换器结构，为了实现输出电压的调整，需要调节开关频率，可能会影响软开关的实现。
发明内容
本发明提供了一种单相固态变压器的拓扑结构，其目的是为了解决传统变压器体积大和功能单一的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种单相固态变压器的拓扑结构，包括：
交流电源，所述交流电源的正极端与第一电感的第一端电连接；
第一H桥电路，所述第一H桥电路的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述第一H桥电路的第二端与所述交流电源的负极端电连接；
双向DC-DC变换器，所述双向DC-DC变换器的第一端与所述第一H桥电路的第三端电连接，所述双向DC-DC变换器的第二端与所述第一H桥电路的第四端电连接；
双向buck电路，所述双向buck电路的第一端与所述双向DC-DC变换器的第一端电连接，所述双向buck电路的第二端与所述双向DC-DC变换器的第二端电连接；
第二H桥电路，所述第二H桥电路的第一端与所述双向buck电路的第一端电连接，所述第二H桥电路的第二端与所述双向buck电路的第二端电连接。
其中，所述第一H桥电路包括：
第一开关管，所述第一开关管的发射极与所述第一电感的第二端电连接；
第二开关管，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接；
第三开关管，所述第三开关管的集电极与所述第一开关管的集电极电连接；
第四开关管，所述第四开关管的集电极分别与所述第三开关管的发射极和所述交流电源的负极端电连接，所述第四开关管的发射极与所述第二开关管的发射极电连接。
其中，所述双向DC-DC变换器包括：
原边直线母线电容模块，所述原边直线母线电容模块的第一端与所述第三开关管的集电极电连接，所述原边直线母线电容模块的第二端与所述第四开关管的发射极电连接；
第一半桥电路，所述第一半桥电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第一端电连接，所述第一半桥电路的第二端与所述原边直线母线电容模块的第二端电连接；
LC谐振电路，所述LC谐振电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第三端电连接，所述LC谐振电路的第二端与所述第一半桥电路的第三端电连接；
高频变压器，所述高频变压器的第一端与所述LC谐振电路的第三端电连接；
第三H桥电路，所述第三H桥电路的第一端与所述高频变压器的第二端电连接。
其中，所述原边直线母线电容模块包括：
第一薄膜电容，所述第一薄膜电容的第一端与所述第三开关管的集电极电连接；
第二薄膜电容，所述第二薄膜电容的第一端与所述第一薄膜电容的第二端电连接，所述第二薄膜电容的第二端与所述第四开关管的发射极电连接。
其中，所述第一半桥电路包括：
第五开关管，所述第五开关管的集电极与所述第一薄膜电容的第一端电连接；
第六开关管，所述第六开关管的集电极与所述第五开关管的发射极电连接，所述第六开关管的发射极与所述第二薄膜电容的第二端电连接。
其中，所述LC谐振电路包括：
谐振电感，所述谐振电感的第一端与所述第六开关管的集电极电连接；
谐振电容，所述谐振电容的第一端与所述第二薄膜电容的第一端电连接。
其中，所述高频变压器包括：
原边绕组，所述原边绕组的第一端与所述谐振电感的第二端电连接，所述原边绕组的第二端与所述谐振电容的第二端电连接；
副边绕组，所述副边绕组的第一端与第七开关管的发射极电连接，所述副边绕组的第二端与第九开关管的发射极电连接。
其中，所述第三H桥电路包括：
第七开关管；
第八开关管，所述第八开关管的集电极与所述第七开关管的发射极电连接；
第九开关管，所述第九开关管的集电极与所述第七开关管的集电极电连接；
第十开关管，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的发射极电连接，所述第十开关管的发射极与所述第八开关管的发射极电连接；
第三薄膜电容，所述第三薄膜电容的第一端与所述第九开关管的集电极电连接，所述第三薄膜电容的第二端与所述第十开关管的发射极电连接。
其中，所述双向buck电路包括：
第十一开关管，所述第十一开关管的集电极与所述第三薄膜电容的第一端电连；
第十二开关管，所述第十二开关管的集电极与所述第十一开关管的发射极电连接；
第二电感，所述第二电感的第一端与所述第十二开关管的集电极电连接；
第一电容，所述第一电容的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第一电容的第二端与所述第十二开关管的发射极电连接。
其中，所述第二H桥电路包括：
第十三开关管，所述第十三开关管的集电极与所述第二电感的第二端电连接；
第十四开关管，所述第十四开关管的集电极与所述第十三开关管的发射极电连接；
第十五开关管，所述第十五开关管的集电极与所述第十四开关管的集电极电连接；
第十六开关管，所述第十六开关管的集电极与所述第十五开关管的发射极电连接，所述第十六开关管的发射极与所述第十四开关管的发射极电连接；
第三电感，所述第三电感的第一端与所述第十四开关管的集电极电连接；
第二电容，所述第二电容的第一端与所述第三电感的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第十六开关管的集电极电连接；
第一负载，所述第一负载的第一端与所述第二电容的第一端电连接，所述第一负载的第二端与所述第二电容的第二端电连接。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器拓扑结构，无中间储能环节，直流母线电容采用小容值薄膜电容，可以减小整个系统的体积并提高系统的可靠性，并且可以实现输出电压幅值调整和功率双向流动。
附图说明
图1为本发明的具体电路示意图；
图2为本发明的双向buck电路输入电压、输出电压波形；
图3为本发明的输入电压、输出电压波形；
图4为本发明的输入电流、输出电流波形。
【附图标记说明】
1-交流电源；2-第一电感；3-第一H桥电路；4-双向DC-DC变换器；5-双向buck电路；6-第二H桥电路；7-第一开关管；8-第二开关管；9-第三开关管；10-第四开关管；11-第一薄膜电容；12-第二薄膜电容；13-第五开关管；14-第六开关管；15-谐振电感；16-谐振电容；17-原边绕组；18-副边绕组；19-第七开关管；20-第八开关管；21-第九开关管；22-第十开关管；23-第三薄膜电容；24-第十一开关管；25-第十二开关管；26-第二电感；27-第一电容；28-第十三开关管；29-第十四开关管；30-第十五开关管；31-第十六开关管；32-第三电感；33-第二电容；34-第一负载。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有变压器体积大和功能单一的问题，提供了一种单相固态变压器的拓扑结构。
如图1至图4所示，本发明的实施例提供了一种单相固态变压器的拓扑结构，包括：交流电源1，所述交流电源1的正极端与第一电感2的第一端电连接；第一H桥电路3，所述第一H桥电路3的第一端与所述第一电感2的第二端电连接，所述第一H桥电路3的第二端与所述交流电源1的负极端电连接；双向DC-DC变换器4，所述双向DC-DC变换器4的第一端与所述第一H桥电路3的第三端电连接，所述双向DC-DC变换器4的第二端与所述第一H桥电路3的第四端电连接；双向buck电路5，所述双向buck电路5的第一端与所述双向DC-DC变换器4的第一端电连接，所述双向buck电路5的第二端与所述双向DC-DC变换器4的第二端电连接；第二H桥电路6，所述第二H桥电路6的第一端与所述双向buck电路5的第一端电连接，所述第二H桥电路6的第二端与所述双向buck电路5的第二端电连接。
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器的拓扑结构，所述第一H桥电路3功率反向传输时：所述第一H桥电路3工作在逆变器状态，电流流经IGBT，将脉动的直流电，转换成正弦交流电，所述第一H桥电路3控制方法为：对输入电压采样，在采样的输入电压为正时，让所述第一开关管7和所述第四开关管10导通；在采样的输入电压为负时，让第二开关管8和第三开关管9导通，将输入的正弦交流电转变成正弦半波直流电，所述双向DC-DC变换器4，功率正向传输时：所述双向DC-DC变换器4的所述第一半桥的开关管高频动作，将原边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过所述高频变压器耦合到副边，所述第三H桥电路中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电。功率反向传输时：所述双向DC-DC变换器4的所述第三H桥电路中开关高频动作，将副边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过所述高频变压器耦合到原边，第一半桥中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电，所述双向buck电路5进行双闭环反馈控制，所述双闭环反馈控制具体为：采样的输出电压与根据锁相环得到的输入电压角度确定的参考电压进行比较得到电压误差信号，然后电压误差信号经过电压外环调节器的输出量作为电流内环的电流参考值并与采样的得到的输出电流进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过电流内环调节器的输出量与输出电压相加后除以副边直流母线电压得到调制信号，调制信号再与三角载波进行比较得到单相逆变器的驱动信号，所述第二H桥电路6，功率反向传输时：所述第二H桥电路6工作在整流器状态，电流流经二极管，IGBT开关管工频动作，将输入的正弦交流电，转换成脉动的直流电，所述第二H桥电路6控制方法为：对输入电压采样，在采样的输入电压为正时，让所述第十三开关管28和所述第十六开关管31导通；在采样的输入电压为负时，让所述第十四开关管29和所述第十五开关管30导通，将正弦半波直流电转变成正弦交流电。
其中，所述第一H桥电路3包括：第一开关管7，所述第一开关管7的发射极与所述第一电感2的第二端电连接；第二开关管8，所述第二开关管8的集电极与所述第一开关管7的发射极电连接；第三开关管9，所述第三开关管9的集电极与所述第一开关管7的集电极电连接；第四开关管10，所述第四开关管10的集电极分别与所述第三开关管9的发射极和所述交流电源1的负极端电连接，所述第四开关管10的发射极与所述第二开关管8的发射极电连接。
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器的拓扑结构，功率正传输时：所述第一H桥电路3工作在整流器状态，电流流经二极管，IGBT工频动作，将输入的正弦交流电，转换成脉动的直流电，开关管为带反并联续流二极管的IGBT或MOSFET，或是其他具有同等作用的开关器件。
其中，所述双向DC-DC变换器4包括：原边直线母线电容模块，所述原边直线母线电容模块的第一端与所述第三开关管9的集电极电连接，所述原边直线母线电容模块的第二端与所述第四开关管10的发射极电连接；第一半桥电路，所述第一半桥电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第一端电连接，所述第一半桥电路的第二端与所述原边直线母线电容模块的第二端电连接；LC谐振电路，所述LC谐振电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第三端电连接，所述LC谐振电路的第二端与所述第一半桥电路的第三端电连接；高频变压器，所述高频变压器的第一端与所述LC谐振电路的第三端电连接；第三H桥电路，所述第三H桥电路的第一端与所述高频变压器的第二端电连接。
其中，所述原边直线母线电容模块包括：第一薄膜电容11，所述第一薄膜电容11的第一端与所述第三开关管9的集电极电连接；第二薄膜电容12，所述第二薄膜电容12的第一端与所述第一薄膜电容11的第二端电连接，所述第二薄膜电容12的第二端与所述第四开关管10的发射极电连接。
其中，所述第一半桥电路包括：第五开关管13，所述第五开关管13的集电极与所述第一薄膜电容11的第一端电连接；第六开关管14，所述第六开关管14的集电极与所述第五开关管13的发射极电连接，所述第六开关管14的发射极与所述第二薄膜电容12的第二端电连接。
其中，所述LC谐振电路包括：谐振电感15，所述谐振电感15的第一端与所述第六开关管14的集电极电连接；谐振电容16，所述谐振电容16的第一端与所述第二薄膜电容12的第一端电连接。
其中，所述高频变压器包括：原边绕组17，所述原边绕组17的第一端与所述谐振电感15的第二端电连接，所述原边绕组17的第二端与所述谐振电容16的第二端电连接；副边绕组18，所述副边绕组18的第一端与第七开关管19的发射极电连接，所述副边绕组18的第二端与第九开关管21的发射极电连接。
其中，所述第三H桥电路包括：第七开关管19；第八开关管20，所述第八开关管20的集电极与所述第七开关管19的发射极电连接；第九开关管21，所述第九开关管21的集电极与所述第七开关管19的集电极电连接；第十开关管22，所述第十开关管22的集电极与所述第九开关管21的发射极电连接，所述第十开关管22的发射极与所述第八开关管20的发射极电连接；第三薄膜电容23，所述第三薄膜电容23的第一端与所述第九开关管21的集电极电连接，所述第三薄膜电容23的第二端与所述第十开关管22的发射极电连接。
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器的拓扑结构，所述双向DC-DC变换器4为一个LC串联谐振变换器，原边采用半桥结构，副边采用全桥结构，可以实现降压功能，所述高频变压器可以实现原副边的电气隔离和电压幅值的调整，通过原副边开关管的高频动作，可以减小了整个固态变压器的体积。
其中，所述双向buck电路5包括：第十一开关管24，所述第十一开关管24的集电极与所述第三薄膜电容23的第一端电连；第十二开关管25，所述第十二开关管25的集电极与所述第十一开关管24的发射极电连接；第二电感26，所述第二电感26的第一端与所述第十二开关管25的集电极电连接；第一电容27，所述第一电容27的第一端与所述第二电感26的第二端电连接，所述第一电容27的第二端与所述第十二开关管25的发射极电连接。
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器的拓扑结构，所述双向buck电路5可以对所述双向DC-DC变换器4的输出电压的幅值进行调整。
其中，所述第二H桥电路6包括：第十三开关管28，所述第十三开关管28的集电极与所述第二电感26的第二端电连接；第十四开关管29，所述第十四开关管29的集电极与所述第十三开关管28的发射极电连接；第十五开关管30，所述第十五开关管30的集电极与所述第十四开关管29的集电极电连接；第十六开关管31，所述第十六开关管31的集电极与所述第十五开关管30的发射极电连接，所述第十六开关管31的发射极与所述第十四开关管29的发射极电连接；第三电感32，所述第三电感32的第一端与所述第十四开关管29的集电极电连接；第二电容33，所述第二电容33的第一端与所述第三电感32的第二端电连接，所述第二电容33的第二端与所述第十六开关管31的集电极电连接；第一负载34，所述第一负载34的第一端与所述第二电容33的第一端电连接，所述第一负载34的第二端与所述第二电容33的第二端电连接。
本发明的上述实施例所述的单相固态变压器的拓扑结构，功率正向传输时：所述第二H桥电路6工作在逆变器状态，电流流经IGBT开关管，将脉动的直流电，转换成正弦交流电。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种单相固态变压器的拓扑结构，其特征在于，包括：
交流电源，所述交流电源的正极端与第一电感的第一端电连接；
第一H桥电路，所述第一H桥电路的第一端与所述第一电感的第二端电连接，所述第一H桥电路的第二端与所述交流电源的负极端电连接；
双向DC-DC变换器，所述双向DC-DC变换器的第一端与所述第一H桥电路的第三端电连接，所述双向DC-DC变换器的第二端与所述第一H桥电路的第四端电连接；
双向buck电路，所述双向buck电路的第一端与所述双向DC-DC变换器的第一端电连接，所述双向buck电路的第二端与所述双向DC-DC变换器的第二端电连接，所述双向buck电路用于调整所述双向DC-DC变换器的输出电压的幅值；
第二H桥电路，所述第二H桥电路的第一端与所述双向buck电路的第一端电连接，所述第二H桥电路的第二端与所述双向buck电路的第二端电连接；
所述第一H桥电路包括：
第一开关管，所述第一开关管的发射极与所述第一电感的第二端电连接；
第二开关管，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接；
第三开关管，所述第三开关管的集电极与所述第一开关管的集电极电连接；
第四开关管，所述第四开关管的集电极分别与所述第三开关管的发射极和所述交流电源的负极端电连接，所述第四开关管的发射极与所述第二开关管的发射极电连接；
所述双向DC-DC变换器包括：
原边直线母线电容模块，所述原边直线母线电容模块的第一端与所述第三开关管的集电极电连接，所述原边直线母线电容模块的第二端与所述第四开关管的发射极电连接；
第一半桥电路，所述第一半桥电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第一端电连接，所述第一半桥电路的第二端与所述原边直线母线电容模块的第二端电连接；
LC谐振电路，所述LC谐振电路的第一端与所述原边直线母线电容模块的第三端电连接，所述LC谐振电路的第二端与所述第一半桥电路的第三端电连接；
高频变压器，所述高频变压器的第一端与所述LC谐振电路的第三端电连接；
第三H桥电路，所述第三H桥电路的第一端与所述高频变压器的第二端电连接；
所述原边直线母线电容模块包括：
第一薄膜电容，所述第一薄膜电容的第一端与所述第三开关管的集电极电连接；
第二薄膜电容，所述第二薄膜电容的第一端与所述第一薄膜电容的第二端电连接，所述第二薄膜电容的第二端与所述第四开关管的发射极电连接；
所述第一半桥电路包括：
第五开关管，所述第五开关管的集电极与所述第一薄膜电容的第一端电连接；
第六开关管，所述第六开关管的集电极与所述第五开关管的发射极电连接，所述第六开关管的发射极与所述第二薄膜电容的第二端电连接；
所述LC谐振电路包括：
谐振电感，所述谐振电感的第一端与所述第六开关管的集电极电连接；
谐振电容，所述谐振电容的第一端与所述第二薄膜电容的第一端电连接；
所述高频变压器包括：
原边绕组，所述原边绕组的第一端与所述谐振电感的第二端电连接，所述原边绕组的第二端与所述谐振电容的第二端电连接；
副边绕组，所述副边绕组的第一端与第七开关管的发射极电连接，所述副边绕组的第二端与第九开关管的发射极电连接；
所述第三H桥电路包括：
第七开关管；
第八开关管，所述第八开关管的集电极与所述第七开关管的发射极电连接；
第九开关管，所述第九开关管的集电极与所述第七开关管的集电极电连接；
第十开关管，所述第十开关管的集电极与所述第九开关管的发射极电连接，所述第十开关管的发射极与所述第八开关管的发射极电连接；
第三薄膜电容，所述第三薄膜电容的第一端与所述第九开关管的集电极电连接，所述第三薄膜电容的第二端与所述第十开关管的发射极电连接；
所述双向buck电路包括：
第十一开关管，所述第十一开关管的集电极与第三薄膜电容的第一端电连接；
第十二开关管，所述第十二开关管的集电极与所述第十一开关管的发射极电连接；
第二电感，所述第二电感的第一端与所述第十二开关管的集电极电连接；
第一电容，所述第一电容的第一端与所述第二电感的第二端电连接，所述第一电容的第二端与所述第十二开关管的发射极电连接；
所述第二H桥电路包括：
第十三开关管，所述第十三开关管的集电极与所述第二电感的第二端电连接；
第十四开关管，所述第十四开关管的集电极与所述第十三开关管的发射极电连接；
第十五开关管，所述第十五开关管的集电极与所述第十四开关管的集电极电连接；
第十六开关管，所述第十六开关管的集电极与所述第十五开关管的发射极电连接，所述第十六开关管的发射极与所述第十四开关管的发射极电连接；
第三电感，所述第三电感的第一端与所述第十四开关管的集电极电连接；
第二电容，所述第二电容的第一端与所述第三电感的第二端电连接，所述第二电容的第二端与所述第十六开关管的集电极电连接；
第一负载，所述第一负载的第一端与所述第二电容的第一端电连接，所述第一负载的第二端与所述第二电容的第二端电连接；
单相固态变压器的控制方法：
所述第一H桥电路的控制方法为：对输入电压采样，在采样的输入电压为正时，所述第一开关管和所述第四开关管导通；在采样的输入电压为负时，所述第二开关管和所述第三开关管导通，将输入的正弦交流电转变成正弦半波直流电；功率正向传输时：所述双向DC-DC变换器的所述第一半桥的开关管高频动作，将原边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过所述高频变压器耦合到副边，所述第三H桥电路中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；功率反向传输时：所述双向DC-DC变换器的所述第三H桥电路中开关高频动作，将副边直流母线的正弦半波直流电转换为包络线为正弦的高频交流电，再经过所述高频变压器耦合到原边，第一半桥中的开关管不动作，经开关管的体二极管或反并联的二极管不控整流再将高频交流电转换为正弦半波直流电；对所述双向buck电路进行双闭环反馈控制，所述双闭环反馈控制具体为：采样的输出电压与根据锁相环得到的输入电压角度确定的参考电压进行比较得到电压误差信号，电压误差信号经过电压外环调节器的输出量作为电流内环的电流参考值并与采样的得到的输出电流进行比较得到电流误差信号，电流误差信号经过电流内环调节器的输出量与输出电压相加后除以副边直流母线电压得到调制信号，将调制信号与三角载波进行比较得到单相固态变压器的驱动信号；所述第二H桥电路的控制方法为：对输入电压采样，在采样的输入电压为正时，所述第十三开关管和所述第十六开关管导通；在采样的输入电压为负时，所述第十四开关管和所述第十五开关管导通，将正弦半波直流电转变成正弦交流电。
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