CN111262440B - 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器 - Google Patents

适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN111262440B
CN111262440B CN202010049040.0A CN202010049040A CN111262440B CN 111262440 B CN111262440 B CN 111262440B CN 202010049040 A CN202010049040 A CN 202010049040A CN 111262440 B CN111262440 B CN 111262440B
Authority
CN
China
Prior art keywords
transformer
current
capacitor
mosfet
igbt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010049040.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111262440A (zh
Inventor
王天阔
于龙飞
黄佳
马党国
周春
陈世彪
张方
雷李泽
张莉
刘诚
李国敏
刘宇宁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd filed Critical Huadian Electric Power Research Institute Co Ltd
Priority to CN202010049040.0A priority Critical patent/CN111262440B/zh
Publication of CN111262440A publication Critical patent/CN111262440A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111262440B publication Critical patent/CN111262440B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本发明公开了一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，原边侧包括由第一MOSFET、第二MOSFET、第一电容和第一变压器构成的半桥逆变单元，以及第一IGBT、第二IGBT、第二电容和第二变压器构成的另一半桥逆变单元，副边侧包括由第一至第四整流二极管和第一、第二滤波电感构成的倍流整流器，还包括输出滤波电容。该全桥直流变换器具有软开关范围宽、二极管电压应力低、输出电流纹波小等特点，电路结构简单、转换效率高，适用于电力直流操作电源系统。

Description

适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器。
背景技术
在电力系统中，为了给保护电路、控制电路、事故照明等各种直流设备供电，系统中必须包含高可靠、高效率的直流电源。因此，在变电站均设有独立的直流电源蓄电池和与之配套的充电装置，称为电力操作电源或直流电源系统。它的主要作用是，正常工作时为变电站内的设备提供直流能量，同时能够实现故障时不间断供电。
直流电源系统需要经过变换器进行电压等级转换，才能够满足设备的供电需求。随着近年兴起的软开关技术在直流变换器中的应用，进一步降低了直流变换器的损耗，功率密度、可靠性等性能也得到了一定的提升。尤其是移相全桥直流变换器，所有开关管均能够利用器件自身的寄生参数，实现软开关，在中大功率直流电源系统中受到广泛关注。然而，传统的移相全桥变换器在具体实际应用中，主要存在以下几个问题：(1)滞后桥臂开关管的软开关范围窄，轻载效率较低；（2）原边存在环流损耗，加剧了传导损耗；（3）副边整流电压存在振荡，二极管电压应力较大，不利于效率的进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于解决传统移相全桥变换器存在的问题，而提供一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，具有软开关范围宽、无环流损耗、整流二极管电压应力低等特性，能够可靠、高效地为变电站电力直流操作电源系统实现电能变换。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，其特征在于：包括第一MOSFET、第二MOSFET、第一IGBT、第二IGBT、第一电容、第二电容、第三电容，第一变压器、第二变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波电感和第二滤波电感；
所述第一MOSFET和第二MOSFET串联连接，所述第一IGBT和第二IGBT串联连接，所述第一MOSFET和第二MOSFET、第一IGBT和第二IGBT分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；所述第一MOSFET和第二MOSFET串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，所述第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端与输入端的负极相连；所述第一IGBT和第二IGBT串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，所述第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与输入端的负极相连；
所述第一变压器的副边绕组两端分别与所述第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；所述第二变压器的副边绕组两端分别与所述第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；所述第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与所述第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，所述第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：该全桥直流变换器具有软开关范围宽、二极管电压应力低、输出电流纹波小等特点，其电路结构简单、转换效率高，适用于电力直流操作电源系统。
附图说明
图1是本发明的整体电路结构示意图；
其中：V in 为直流电源，Q1、Q3分别为第一MOSFET、第二MOSFET，Q2、Q4分别为第一IGBT、第二IGBT，C 1、C 2和C o分别为第一电容、第二电容和第三电容，T1、T2分别为第一变压器、第二变压器，n p 为第一变压器、第二变压器的初级绕组匝数，n s 为第一变压器、第二变压器的副边绕组匝数，D1、D2、D3、D4分别为第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管，L 1 、L 2 分别为第一滤波电感、第二滤波电感。
图2是本发明的简化等效电路示意图，图中所有元器件均为理想器件；
图3是图2的主要工作波形示意图；
图4~8是图2在不同模态下的等效电路图。
上述附图中的主要物理量为：T α 是移相时间， n为T1、T2变压器副边与原边匝数之比，L kl 为T1的漏感，L k2 为T2的漏感，C B等效为恒定电压源0.5V in ，负载电流为I o ，L 1 、L 2 电感值足够大等效为0.5I o 的恒流源。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，包括第一MOSFET、第二MOSFET（Q1、Q3），第一IGBT、第二IGBT（Q2、Q4），第一电容、第二电容、第三电容(C 1 、C 2 、C o )，第一隔离变压器、第二隔离变压器(T1、T2)，第一整流二极管至第四整流二极管(D1~D4)，第一滤波电感、第二滤波电感(L 1 、L 2 )。
第一MOSFET和第二MOSFET串联连接，第一IGBT和第二IGBT串联连接，第一MOSFET和第二MOSFET、第一IGBT和第二IGBT分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；第一MOSFET和第二MOSFET串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，第一电容的另一端与输入端的负极相连；第一IGBT和第二IGBT串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与输入端的负极相连；
第一变压器的副边绕组两端分别与第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；第二变压器的副边绕组两端分别与第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端。
具体的，Q1、Q3、T1和C 1 构成半桥逆变单元，Q2、Q4、T2和C 2 构成另一半桥逆变单元，忽略死区时间，开关管的占空比为0.5，变换器通过调整两逆变单元之间的相移时间Tα，实现对输出电压的调节，在二次侧，D1~D4和L 1 、L 2 构成倍流整流单元，如附图1。
下面以附图2简化的等效电路，结合附图3~8叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知本发明提出的变换器在一个开关周期有10种工作模态，分别是[t 0~t 1]、[t 1~t 2]、[t 2~t 3]、[t 3~t 4]、[t 4~t 5]、[t 5~t 6]、[t 6~t 7]、[t 7~t 8]、[t 8~t 9]、[t 9~t 10]，其中，[t 0~t 5]为前半周期，[t 5~t 10]为后半周期，由于变换器的对称性，两种工作模态相同，只是电压、电流方向相反。下面仅以[t 0~t 5]前半周期各工作模态为例，对变换器的工作情况进行具体分析。
为简化分析，作如下假设：1）开关管的寄生器件只考虑体二极管和结电容；2）忽略T1和T2变压器的励磁电感，其漏感分别为L k1 和L k2 ；3）C 2 容值足够大，等效为恒压源，L 1 和L 2 等效为恒流源忽；4）图2所示的元器件均为理想器件。
开关模态1 [t 0~t 1] (对应于附图4)：Q1、Q2、D2、D3导通，该时段T1和T2变压器均能够传递功率，输出滤波电感L 1 和L 2 映射到原边，原副边电流均保持恒定值，C 1 端电压线性增加。
开关模态2[t 1~t 2](对应于附图5)：Q1在t 1时刻关断，原副边电流仍然保持恒定值，Q1、Q3的结电容线性充放电，其连接点电压线性下降，与此同时，T1变压器原副边电压和整流电压也开始线性下降。
开关模态3[t 2~t 3](对应于附图6)：在t 2时刻，Q1、Q3连接点电压和D4端电压同时下降到零，Q3体二极管和D4开始导通，Q3可以实现零电压开通。
开关模态4[t 3~t 4](对应于附图7)：在该时段，由Q2、Q4、T2和C2组成的半桥逆变单元电流原副边电流为零，为Q2、Q4实现零电流关断创造了条件。由Q1、Q3、T1和C1组成的半桥逆变单元电流保持恒定值，能够持续性地传递功率。
开关模态5[t 4~t 5](对应于附图8)：在该时段内，整流二极管D1和D2同时导通，将T2变压器副边电压钳位在零值，L k2 端电压为0.5V in ，其电流反方向线性升高，同时D1电流线性增加，D2电流线性减小。在t 5时刻，D2电流下降到零，该时段结束，变换器进入到后半周期。
后半周期[t 5~t 10]的工作原理与前半周期[t 0~t 5]基本相同，只是电流、电压反方向变化，不再重复叙述。
总结上述工作过程可知，本发明提出的新型全桥直流变换器具有如下优点：超前开关管MOSFET能够实现零电压导通，滞后开关管IGBT可以实现零电流开关；双变压器结构保证了变换器原副边功率传递的连续性，同时有利于减小原边环流损耗和输出电流纹波；变压器的漏感可以设计的很小，有助于减小二次侧整流电压的振荡幅值。
本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器，其特征在于：包括第一MOSFET、第二MOSFET、第一IGBT、第二IGBT、第一电容、第二电容、第三电容，第一变压器、第二变压器、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波电感和第二滤波电感；
所述第一MOSFET和第二MOSFET串联连接，所述第一IGBT和第二IGBT串联连接，所述第一MOSFET和第二MOSFET、第一IGBT和第二IGBT分别构成半桥基本单元，并与输入端的正极、负极并联连接；所述第一MOSFET和第二MOSFET串联的连接点与第一变压器原边绕组的一端相连，所述第一变压器原边绕组的另一端与第一电容的一端相连，所述第一电容的另一端与输入端的负极相连；所述第一IGBT和第二IGBT串联的连接点与第二变压器原边绕组的一端连接，所述第二变压器原边绕组的另一端与第二电容的一端相连，所述第二电容的另一端与输入端的负极相连；
所述第一变压器的副边绕组两端分别与所述第三整流二极管、第四整流二极管的阴极以及第一滤波电感、第二滤波电感的一端连接；所述第二变压器的副边绕组两端分别与所述第一整流二极管、第二整流二极管的阴极以及第三整流二极管、第四整流二极管的阳极连接；所述第一滤波电感和第二滤波电感的另一端均与所述第三电容的一端连接，作为输出电压的正端，所述第三电容的另一端与第一整流二极管和第二整流二极管的阳极相连，作为输出电压的负端；
具体的，Q1、Q3、T1和C 1 构成半桥逆变单元，Q2、Q4、T2和C 2 构成另一半桥逆变单元，忽略死区时间，开关管的占空比为0.5，变换器通过调整两逆变单元之间的相移时间Tα，实现对输出电压的调节，在二次侧，D1~D4和L 1 、L 2 构成倍流整流单元；
变换器在一个开关周期有10种工作模态，分别是[t 0~t 1]、[t 1~t 2]、[t 2~t 3]、[t 3~t 4]、[t 4~t 5]、[t 5~t 6]、[t 6~t 7]、[t 7~t 8]、[t 8~t 9]、[t 9~t 10]，其中，[t 0~t 5]为前半周期，[t 5~t 10]为后半周期，由于变换器的对称性，两种工作模态相同，只是电压、电流方向相反；下面以[t 0~t 5]前半周期各工作模态对变换器的工作情况进行具体分析；
为简化分析，作如下假设：1）开关管的寄生器件只考虑体二极管和结电容；2）忽略T1和T2变压器的励磁电感，其漏感分别为L k1 和L k2 ；3）C 2 容值足够大，等效为恒压源，L 1 和L 2 等效为恒流源忽；4）元器件均为理想器件；
开关模态1 [t 0~t 1]：Q1、Q2、D2、D3导通，该时段T1和T2变压器均能够传递功率，输出滤波电感L 1 和L 2 映射到原边，原副边电流均保持恒定值，C 1 端电压线性增加；
开关模态2[t 1~t 2]：Q1在t 1时刻关断，原副边电流仍然保持恒定值，Q1、Q3的结电容线性充放电，其连接点电压线性下降，与此同时，T1变压器原副边电压和整流电压也开始线性下降；
开关模态3[t 2~t 3]：在t 2时刻，Q1、Q3连接点电压和D4端电压同时下降到零，Q3体二极管和D4开始导通，Q3可以实现零电压开通；
开关模态4[t 3~t 4]：在该时段，由Q2、Q4、T2和C2组成的半桥逆变单元电流原副边电流为零，为Q2、Q4实现零电流关断创造了条件；由Q1、Q3、T1和C1组成的半桥逆变单元电流保持恒定值，能够持续性地传递功率；
开关模态5[t 4~t 5]：在该时段内，整流二极管D1和D2同时导通，将T2变压器副边电压钳位在零值，L k2 端电压为0.5V in ，其电流反方向线性升高，同时D1电流线性增加，D2电流线性减小；在t 5时刻，D2电流下降到零，该时段结束，变换器进入到后半周期；
后半周期[t 5~t 10]的工作原理与前半周期[t 0~t 5]基本相同，只是电流、电压反方向变化；
其中：V in 为直流电源，Q1、Q3分别为第一MOSFET、第二MOSFET，Q2、Q4分别为第一IGBT、第二IGBT，C 1、C 2和C o分别为第一电容、第二电容和第三电容，T1、T2分别为第一变压器、第二变压器，n p 为第一变压器和第二变压器的初级绕组匝数，n s 为第一变压器和第二变压器的副边绕组匝数，D1、D2、D3、D4分别为第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管，L 1 、L 2 分别为第一滤波电感、第二滤波电感；T α 是移相时间，n为T1、T2变压器副边与原边匝数之比，L kl 为T1的漏感，L k2 为T2的漏感，C B等效为恒定电压源0.5V in ，负载电流为I o ，L 1 、L 2 电感值足够大等效为0.5I o 的恒流源。
CN202010049040.0A 2020-01-16 2020-01-16 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器 Active CN111262440B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010049040.0A CN111262440B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010049040.0A CN111262440B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111262440A CN111262440A (zh) 2020-06-09
CN111262440B true CN111262440B (zh) 2020-12-08

Family

ID=70955305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010049040.0A Active CN111262440B (zh) 2020-01-16 2020-01-16 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111262440B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478852A (zh) * 2016-07-27 2019-03-15 株式会社村田制作所 并联和串联的多相llc转换器
CN110572039A (zh) * 2019-09-17 2019-12-13 汕头大学 一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478852A (zh) * 2016-07-27 2019-03-15 株式会社村田制作所 并联和串联的多相llc转换器
CN110572039A (zh) * 2019-09-17 2019-12-13 汕头大学 一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器

Also Published As

Publication number Publication date
CN111262440A (zh) 2020-06-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109921653B (zh) 一种单相电力电子变压器拓扑结构及其控制方法
CN106505866B (zh) 一种三电平全桥直流变换装置
CN112928919B (zh) 宽输出电压范围的隔离型高频谐振式直流-直流变换器及方法
CN105281576A (zh) 准谐振半桥转换器及其控制方法
CN111682774A (zh) 单级隔离型双向直流变换器
CN103887981A (zh) 一种全桥dc-dc变换器
CN101604916B (zh) 基于π型辅助网络零电压开关全桥直流变换器
CN113541500A (zh) 一种隔离型半准z源直流升压变换器
CN108631604B (zh) 一种环保用双变压器型零电流谐振三电平直流变换器
CN114665700A (zh) 正反激-谐振式单级无桥隔离型pfc变换器
CN110445387B (zh) 一种化成分容用电源的拓扑结构和控制方法
CN109302078B (zh) 基于同步整流模式的dc-dc开关电源
WO2022059294A1 (ja) 電力変換装置
CN110572039A (zh) 一种基于倍流整流器的新型全桥直流变换器
CN109787479A (zh) 一种包含双谐振腔的双向变换电路以及变换器
CN212381122U (zh) 单级隔离型双向直流变换器
CN201312262Y (zh) 一种具有较高转换效率的高频开关电源
CN103441690B (zh) 高频交流侧串联实现紧调整输出的组合变流器的控制方法
CN209358441U (zh) 一种包含双谐振腔的双向变换电路以及变换器
CN111262440B (zh) 适用于变电站电力直流操作电源系统的全桥直流变换器
US20230322105A1 (en) Charging device and method for operating the charging device
CN203883678U (zh) 一种全桥dc-dc变换器
CN109546860B (zh) 一种基于元器件复用的半桥-全桥组合式直流变换器
JP2022049533A (ja) 電力変換装置
CN207251480U (zh) 基于移相全桥zvs的自适应同步整流电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant