CN111092551A - 一种模块级联高压直流斩波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块级联高压直流斩波器。现有的高压直流电压升降变换装置存在变比固定、控制复杂、成本高的问题。本发明基于现有的BUCK、BOOST斩波电路，通过模块级联实现多个全控型功率晶体管的串联运行，并通过加入输入(或输出)电感使级联模块电容中的能量可以无损回馈给电路(忽略电路中非电阻元件的电阻)，使高压直流可以与低压直流一样进行斩波，以实现对电压或电流的控制。本发明应用于BUCK斩波电路时，在输入电感较小的条件下，可通过提高电路的工作频率，以减小输出电感的电感量和输出电容的电容量。本发明应用于BOOST斩波电路时，也可通过提高电路的工作频率，以减小输入电感的电感量和输出电容的电容量。

Description

一种模块级联高压直流斩波器
技术领域
本发明涉及高压直流的电压升降变换装置，特别是一种模块级联高压直流斩波器。
背景技术
低压直流：电压等于或低于2kV的直流。高压直流：电压高于目前主流全控型功率晶体管(例如：Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT)单管的长期运行电压(大于2kV)的直流。目前低压直流的电压升降变换可以通过单个全控型功率晶体管构成的BUCK(降压)、BOOST(升压)斩波电路来完成。受制于单个全控型功率晶体管的耐压水平，以及无法有效均衡多个直接串联全控型功率晶体管的电压降，对于高压直流的电压升降变换，需通过多个“H桥直流-交流变换、铁磁双绕组变压器变压、H桥交流-直流变换”的串并联组合，才能实现直流电压的升降变换。
现有的高压直流电压升降变换装置存在变比固定、控制复杂、成本高的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种模块级联高压直流斩波器，其基于现有的BUCK(降压)、BOOST(升压)斩波电路，通过模块级联实现多个全控型功率晶体管的串联运行，并通过加入输入(或输出)电感使级联模块电容中的能量可以无损回馈给电路(忽略电路中非电阻元件的电阻)，使高压直流可以与低压直流一样进行斩波，以实现对电压或电流的控制。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种模块级联高压直流斩波器，其包括直流电源、输入电感、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻，在直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块；
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管；
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的正极连接；
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接；
每个不完整半桥模块还包括一模块电容(简称Csm)，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接，所有级联模块电容的容值均相等；
直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块之间的电路上串联输入电感；输出二极管、输出电容和负载电阻均并联在直流输出端的正、负极之间；输出电感串联在直流输出端，输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与电容的一端连接。
进一步的，所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关，使斩波器可以平缓完成预充电。
上述模块级联高压直流斩波器基于现有的BUCK(降压)斩波电路，从而形成一种模块级联高压直流BUCK(降压)斩波器。
本发明采用的另一种技术方案为：一种模块级联高压直流斩波器，其包括直流电源、输入电感、输入二极管、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻，在直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块；
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管；
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的负极连接；
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接；
每个不完整半桥模块还包括一模块电容(简称Csm)，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接，所有级联模块电容的容值均相等；
直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；输出电容和负载电阻并联在直流输出端的正、负极之间；输入电感、输入二极管、输出二极管和输出电感均串联在直流输入端正极与直流输出端正极之间；输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与输出电容的一端连接。
进一步的，所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关。
上述模块级联高压直流斩波器基于现有的BOOST(升压)斩波电路，从而形成一种模块级联高压直流BOOST(升压)斩波器。
本发明具有如下有益效果：
1)级联模块中T1和T2管的断态管压降可以被均匀钳制：由于所有级联模块电容的容值均相等，且同时在开关状态1(T1通、T2断)串联接入电路，同时在开关状态2(T1断、T2通)被旁路出电路，所以模块电容的电压恒相等。在稳态时，所有级联模块电容的串联电压和应等于输入(或输出)电压，级联模块中T1和T2管的断态管压降被钳制在模块电容的电压，即1/n的输入(或输出)电压，n为级联模块的数量。
2)解决现有BUCK电路中电源侧串联电感无损续流困难的问题：如果电源侧有串联电感，现有BUCK电路中必须在开关管电源侧(发射极侧)接入一个续流装置(或能量吸收装置)，如果需要实现无损续流(或无损能量吸收)，则需要安装一个运行在电源电压的大容量对地电容，这是非常麻烦且不经济的方案。而本发明的降压斩波电路完全能够满足电源存在串联电感的情况下进行无损的续流。在本发明中，用级联模块替代了单一开关管，在开关状态1时(等效于单一开关管的断态)，当电源电压+电源侧电感电压(参考方向与电源电压一致)>串联模块电容电压(参考方向与电源电压相反),电源侧电感的续流回路为：电源侧电感电路端→反并二极管→模块电容→输出电感→输出电容和负载→电源→电源侧电感电源端,模块电容充电，能量馈入输出端；当电源电压+电源侧电感电压<串联模块电容电压,电源侧电感的续流回路为：电源侧电感电源端→电源→输出二极管→模块电容→反并二极管→电源侧电感电路端，此时电流反向，模块电容放电，能量馈入输入端。可以发现，电源侧电感续流过程也是模块电容与电路进行无损能量交换的过程。
3)级联模块电容中的能量可以无损回馈电路：如前所述，模块电容的串联电压和始终与输入(或输出)电压保持相等，当模块电容串联电压和低于电路输入(或输出)电压时，模块电容从电路中吸收能量，每个模块电容的电压均匀升高；当模块电容串联电压和高于电路输入(或输出)电压时，模块电容的能量能够通过输入(或输出)电感，无损地回馈给电路，每个模块电容的电压均匀降低。以下是级联模块电容放电回路的说明：a)在升压斩波电路中，在开关状态1时，模块电容允许放电，回路为：模块电容正极→模块T1管→输出二极管→输出电感→输入电容和负载→模块电容负极，能量馈入输出端。输出电感的存在，可以确保经串联的模块电容组与输出电容之间不会形成因不等压的短路(注：不等压电容并联后，短时形成极大的短路电流，产生巨大损耗)；b)在降压斩波电路中，如果电源不含有串联电感，在开关状态1时，模块电容允许放电，回路为：模块电容正极→模块T1管→输入电感→电源→输出二极管→模块电容负极，能量馈入输入端。输入电感的存在，可以确保经串联的模块电容组与输入电源之间不会形成因不等压的短路。如果降压斩波电路的电源含有串联电感，模块电容与电路进行无损能量交换的过程。
本发明应用于BUCK(降压)斩波电路时，在输入电感较小的条件下，可通过提高电路的工作频率，以减小输出电感的电感量和输出电容的电容量。本发明应用于BOOST(升压)斩波电路时，也可通过提高电路的工作频率，以减小输入电感的电感量和输出电容的电容量。在BOOST(升压)斩波电路中，如果输入电感与模块电容之间不存在谐振，则可以省去输入二极管。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的常规BUCK(降压)斩波电路图；
图2为现有技术中的常规BOOST(升压)斩波电路图；
图3为现有技术中的完整半桥电路图；
图4为本发明的不完整半桥电路图；
图5为本发明模块级联高压直流BUCK(降压)斩波电路图；
图6为本发明模块级联高压直流BOOST(升压)斩波电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供一种模块级联高压直流BUCK(降压)斩波器，其由直流电源、输入电感、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻组成，在直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块。
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管。
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的正极连接。
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接。
每个不完整半桥模块还包括一模块电容，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接。
直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块之间的电路上串联输入电感；输出二极管、输出电容和负载电阻均并联在直流输出端的正、负极之间；输出电感串联在直流输出端，输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与电容的一端连接。
所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关，使斩波器可以平缓完成预充电。
本发明的电路图见图5，与现有的常规BUCK电路(见图1)相比，有如下不同之处：
1)本发明允许直流电源中含有串联电感，如果直流电源不含有串联电感，则可在电源侧正极端加一个输入电感。
2)本发明采用级联的不完整半桥(见图4)来替代BUCK电路中的单个功率晶体管，该不完整半桥与完整半桥(见图3)相比，取消了T2管的反并二极管D2。不完整半桥的级联数量取决于电源电压和功率晶体管的耐压水平。
3)本发明在入口端(即直流输入端)增加了充电电阻及旁路开关，使装置可以平缓完成预充电。
4)本发明的其他元件与常规BUCK电路相比，只是相应耐压水平的提升，比如输出二极管可能需要由多个二极管直接串联组成。
本发明不完整半桥中的功率晶体管T1、T2的状态组合表见表1，状态0用于停运或预充电，状态1和状态2用于正常运行。通过调整在一个工作周期内，状态1和状态2的占比，即可对输出电压进行调节。推荐的功率晶体管工作频率(下文中亦称为电路的工作频率)在50Hz-5kHz。
表1本发明功率晶体管T1、T2的状态组合表
状态0 状态1 状态2
T1 断 通 断
T2 断 断 通
对于模块级联高压直流BUCK(降压)斩波器，如果直流电源电压为10kV，且不含有串联电感，并决定采用额定电压为3300V的IGBT作为T1和T2，则把约1/2的IGBT的额定电压作为单个不完整半桥的额定运行电压，即1670V。这样，就需要6个不完整半桥进行级联。级联模块中的电容Csm给T1、T2提供了关断后的管压降，应根据输入电感的大小来选取，输入电感越大，Csm应越大。在电源不含有串联电感时，一般可选择输入电感为0.1毫亨，相应的Csm可为50微法。如果直流电源含有串联电感20毫亨，则直流电源的串联电感即作为输入电感，此时Csm可为3000微法。6个不完整半桥的T1、T2的门极控制脉冲完全相同。如果选择电路的工作频率为50Hz，输出电感可为100毫亨，输出电容可为5000微法。在输入电感较小的条件下(例如，0.1毫亨)，可通过提高电路的工作频率，以减小输出电感的电感量和输出电容的电容量。
实施例2
本实施例提供一种模块级联高压直流BOOST(升压)斩波器，其由直流电源、输入电感、输入二极管、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻组成，直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块。
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管。
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的负极连接。
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接。
每个不完整半桥模块还包括一模块电容，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接。
所述直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；输出电容和负载电阻并联在直流输出端的正、负极之间；输入电感、输入二极管、输出二极管和输出电感均串联在直流输入端正极与直流输出端正极之间；输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与输出电容的一端连接。
所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关。
本发明的电路图见图6，与现有的常规BOOST电路(见图2)相比，有如下不同之处：
1)本发明在入口端(即直流输入端)增加了输入二极管，在出口端(即直流输出端)增加了输出电感。
2)本发明采用级联的不完整半桥来替代BOOST电路中的单个功率晶体管，不完整半桥的级联数量取决于输出电压和功率晶体管的耐压水平。
3)本发明在入口端增加了充电电阻及旁路开关。
4)本发明中其他元件与常规BOOST电路相比，只是相应耐压水平的提升，比如输出二极管可能需要由多个二极管直接串联组成。
本发明中不完整半桥中的功率晶体管T1、T2的状态组合表与实施例1中的表1相同。状态0用于停运或预充电，状态1和状态2用于正常运行。通过调整在一个工作周期内，状态1和状态2的占比，即可对输出电压进行调节。推荐的功率晶体管工作频率在50Hz-5kHz。
对于模块级联高压直流BOOST(升压)斩波器，如果输出端直流电压为10kV，并决定采用额定电压为3300V的IGBT作为T1和T2，则把约1/2的IGBT的额定电压作为单个不完整半桥的额定运行电压，即1670V。这样，就需要6个不完整半桥进行级联。级联模块中的电容Csm一般在10-50微法。6个不完整半桥的T1、T2的门极控制脉冲完全相同。一般可选择输出电感为0.1毫亨。如果选择电路的工作频率为200Hz，输入电感可为100毫亨，输出电容可为5000微法。可通过提高电路的工作频率，以减小输入电感的电感量和输出电容的电容量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种模块级联高压直流斩波器，其特征在于，包括直流电源、输入电感、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻，在直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块；
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管；
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的正极连接；
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接；
每个不完整半桥模块还包括一模块电容，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接，所有级联模块电容的容值均相等；
直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块之间的电路上串联输入电感；输出二极管、输出电容和负载电阻均并联在直流输出端的正、负极之间；输出电感串联在直流输出端，输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与电容的一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种模块级联高压直流斩波器，其特征在于，所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关。
3.一种模块级联高压直流斩波器，其特征在于，包括直流电源、输入电感、输入二极管、输出二极管、输出电感、输出电容和负载电阻，在直流输入端与直流输出端之间设有多个级联的不完整半桥模块；
每个不完整半桥模块包括互补导通的第一开关和第二开关，第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极连接，第一开关IGBT反并二极管，第二开关IGBT不反并二极管；
所述直流输入端的正极与第一个不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关中IGBT集电极之间的电路连接，最后一个不完整半桥模块的第二开关中IGBT发射极与直流输出端的负极连接；
相邻连接的两个不完整半桥模块中，前一不完整半桥模块的第二开关IGBT发射极与后一不完整半桥模块的第一开关IGBT发射极与第二开关IGBT集电极之间的电路连接；
每个不完整半桥模块还包括一模块电容，该模块电容的一端与第一开关IGBT集电极连接，另一端与第二开关IGBT发射极连接，所有级联模块电容的容值均相等；
直流电源的正极与直流输入端的正极连接，直流电源的负极与直流输入端的负极连接；输出电容和负载电阻并联在直流输出端的正、负极之间；输入电感、输入二极管、输出二极管和输出电感均串联在直流输入端正极与直流输出端正极之间；输出电感的一端与输出二极管的负极连接，另一端与输出电容的一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种模块级联高压直流斩波器，其特征在于，所述直流输入端的正极与输入电感之间的电路上串联一启动电阻，该启动电阻并联一旁路开关。
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