CN112290801B - 一种高升压比隔离型直流变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高升压比隔离型直流变换器及其控制方法，所述直流变换器包括中压变换电路、三相变压器和高压变换电路，中压侧利用晶闸管串联承担中压直流电压；高压侧利用模块化多电平桥臂与串联二极管形成混合桥臂来承担高压直流电压，降低器件数目，减小变换器体积；通过对模块化多电平桥臂电压的控制，可以实现对输出功率的调节，并且可以实现中压侧器件的软开关，进而提高变换器效率。本发明的直流变换器具有体积小、效率高、成本低、功率密度高的特点，可以实现高升压比；中压侧采用半控或全控器件串联，且均可以实现软开关；高压侧采用串联二极管或其它可控器件与模块化多电平变换器构成同一桥臂，可有效降低变换器的体积、损耗及成本。

Description

一种高升压比隔离型直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种隔离型直流变换器及其控制方法，具体涉及一种用于直流输变电领域，具有高升压比的隔离型直流变换器拓扑及其控制方法，适用于大功率中高压直流互连场合。

背景技术

随着电力系统容量及输电距离的日益增加，交流电力系统在大电网互联等场景中逐渐表现出疲态。高压直流输电在远距离电能传输场景下的优势也被越来越多的学者及科研机构证实。同时中压直流电网有望实现分布式可再生能源发电的高效接入。因而亟需具有高升压比的大功率直流变换器将中压直流升压至高压，实现中压直流配电网与高压直流输电网的互联。近年来也有一些学者致力于研究适用于中高压直流互联的升压变换器，目前的主流方案包括基于隔离型直流变换器功率模块输入串联输出并联的变换器和基于模块化多电平变换器的面对面直流变换器。但二者均存在一些问题：前者受限于目前半导体器件耐压不足，难以适用于高压应用；后者由于所需器件太多、硬开关等因素，难以实现较高的功率密度和效率。因此有必要提出一种大功率、高效率、小体积、低成本、高功率密度的具有高升压比的用于中高压直流互联的隔离型直流变换器。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种用于中高压直流互联的高升压比隔离型直流变换器及其控制方法。本发明可以实现高升压比；中压侧采用半控或全控器件串联，且均可以实现软开关；高压侧采用串联二极管或其它可控器件与模块化多电平变换器构成同一桥臂，可有效降低变换器的体积、损耗及成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高升压比隔离型直流变换器，包括中压变换电路、三相变压器和高压变换电路，其中：

所述中压变换电路包括输入滤波电容C_i、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆；

所述高压变换电路包括A相二极管D_a、B相二极管D_b、C相二极管D_c、A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b、C相桥臂电感L_c、A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc；

所述三相变压器包括三相变压器一次侧和三相变压器二次侧，变压器变比为1:n，各相分别存在A相漏感L_ak、B相漏感L_bk、C相漏感L_ck；

所述第一晶闸管T₁的阴极与第四晶闸管T₄的阳极相连构成第一桥臂，第三晶闸管T₃的阴极与第六晶闸管T₆的阳极相连构成第二桥臂，第五晶闸管T₅的阴极与第二晶闸管T₂的阳极相连构成第三桥臂；

中压直流输入端的正极经输入滤波电容C_i的正极分别连接第一晶闸管T₁、第三晶闸管T₃和第五晶闸管T₅的阳极，中压直流输入端的负极经输入滤波电容C_i的负极分别连接第二晶闸管T₂、第四晶闸管T₄和第六晶闸管T₆的阴极，输入滤波电容C_i两端构成中压直流输入端；

三相变压器一次侧的A相绕组连接第一晶闸管T₁和第四晶闸管T₄的中间节点，三相变压器一次侧的B相绕组连接第三晶闸管T₃和第六晶闸管T₆的中间节点，三相变压器一次侧的C相绕组连接第二晶闸管T₂和第五晶闸管T₅的中间节点；

所述A相桥臂电感L_a的一端与A相二极管D_a的阴极相连，A相二极管D_a的阳极与A相模块化多电平桥臂SLa的正极相连，构成A相桥臂；

所述B相桥臂电感L_b的一端与B相二极管D_b的阴极相连，B相二极管D_b的阳极与B相模块化多电平桥臂SLb的正极相连，构成B相桥臂；

所述C相桥臂电感L_c的一端与C相二极管D_c的阴极相连，C相二极管D_c的阳极与C相模块化多电平桥臂SLc的正极相连，构成C相桥臂；

所述高压直流输出端的正极分别连接A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b和C相桥臂电感L_c的另一端，高压直流输出端的负极分别连接A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc的负极；

所述三相变压器二次侧的A相绕组连接A相二极管D_a和A相模块化多电平桥臂SLa的中间节点，三相变压器二次侧的B相绕组连接B相二极管D_b和B相模块化多电平桥臂SLb的中间节点，三相变压器二次侧的C相绕组连接C相二极管D_c和C相模块化多电平桥臂SLc的中间节点。

一种上述具有高升压比的隔离型直流变换器的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆分别导通三分之一开关周期，每个晶闸管保证固定的开关时序，通过调节高压侧A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压来实现功率的传输；

步骤二、设一个控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₂₁，其中，t₀≤t<t₇为第一阶段，t₇≤t<t₁₄为第二阶段，t₁₄≤t<t₂₁为第三阶段，U_M为中压直流输入电压，I_M为中压直流输入电流，U_H为高压直流输出电压，I_H为高压直流输出电流，其中：

一、第一阶段的具体控制方法如下：

初始时刻t₀：t₀为一个控制周期的起点，第一晶闸管T₁和第二晶闸管T₂稳定导通；

第一开关模态：t₀≤t<t₁，t₀时刻第一晶闸管T1和第二晶闸管T₂处于导通状态，第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均关断，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压为高压直流输出端电压U_H，C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压为U_H-nU_M，A相桥臂电感L_a两端电压为0，A相二极管D_a电流为高压直流输出电流I_H，C相模块化多电平桥臂SLc电流为三相变压器二次侧的C相绕组电流；

第二开关模态：t₁≤t<t₂，t₁时刻第三晶闸管T₃零电压导通，流经第一晶闸管T₁的电流减小，流经第三晶闸管T₃的电流增大；A相模块化多电平桥臂SLa电压仍旧保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压略小于U_H-nU_M；

第三开关模态：t₂≤t<t₃，t₂时刻流经第一晶闸管T₁的电流降低到0，第一晶闸管T₁自然关断，流经第二晶闸管T₂和第三晶闸管T₃的电流相等均为I_M，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb的电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc的电压略小于U_H-nU_M，在第一晶闸管T₁两端产生反向电压使其可靠关断；

第四开关模态：t₃≤t<t₄，t₃时刻A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压降低，B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压升高，B相二极管D_b开始导通，流经A相二极管D_a的电流线性降低；

第五开关模态：t₄≤t<t₅，t₄时刻A相模块化多电平桥臂SLa和B相模块化多电平桥臂SLb电压恢复到U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H-nU_M；

第六开关模态：t₅≤t<t₆，t₅时刻第四晶闸管T₄零电压导通，流经第二晶闸管T₂的电流线性降低，A相模块化多电平桥臂SLa电压升高，B相模块化多电平桥臂SLb电压保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低；

第七开关模态：t₆≤t<t₇，t₆时刻流经第二晶闸管T₂的电流降低到零，实现自然关断，A相模块化多电平桥臂SLa电压为U_H-nU_M，B相模块化多电平桥臂SLb电压为U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低以在第二晶闸管T₂两端施加反向电压，实现可靠关断；

二、第二阶段的具体控制方法如下：

第八开关模态：t₇≤t<t₈，t₇时刻第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄处于导通状态，第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均关断，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压为U_H-nU_M，B相模块化多电平桥臂SLb的电压U_H，B相桥臂电感L_b两端电压为0，B相二极管D_b电流为高压直流输出电流I_H，A相模块化多电平桥臂SLa电流为-I_M/n；

第九开关模态：t₈≤t<t₉，t₈时刻第五晶闸管T₅零电压导通，流经第三晶闸管T₃的电流减小，流经第五晶闸管T₅的电流增大，B相模块化多电平桥臂SLb电压仍旧保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压略小于U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压略小于U_H-nU_M；

第十开关模态：t₉≤t<t₁₀，t₉时刻流经第三晶闸管T₃的电流降低到零，实现自然关断，流经第四晶闸管T₄和第五晶闸管T₅的电流相等均为I_M，B相模块化多电平桥臂SLb的电压保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压小于U_H，A相模块化多电平桥臂SLa的电压小于U_H-nU_M，在第三晶闸管T₃两端产生反向电压使其可靠关断；

第十一开关模态：t₁₀≤t<t₁₁，t₁₀时刻B相模块化多电平桥臂SLb两端的电压降低，A相模块化多电平桥臂SLa和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压升高，C相二极管D_c开始导通，流经B相二极管D_b的电流线性降低；

第十二开关模态：t₁₁≤t<t₁₂，t₁₁时刻B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压恢复到U_H-nU_M；

第十三开关模态：t₁₂≤t<t₁₃，t₁₂时刻第六晶闸管T₆零电压导通，流经第四晶闸管T₄的电流线性降低，A相模块化多电平桥臂SLa电压降低，B相模块化多电平桥臂SLb电压升高，C相模块化多电平桥臂SLc电压保持U_H；

第十四开关模态：t₁₃≤t<t₁₄，t₁₃时刻流经第四晶闸管T₄的电流降低到零，实现自然关断，B相模块化多电平桥臂SLb电压为U_H-nU_M，C相模块化多电平桥臂SLc电压为U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压降低以在第四晶闸管T₄两端施加反向电压，实现可靠关断；

三、第三阶段的具体控制过程如下：

第十五开关模态：t₁₄≤t<t₁₅，t₁₄时刻第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆处于导通状态，第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄均关断，C相模块化多电平桥臂SLc的电压为U_H，B相模块化多电平桥臂SLb的电压为U_H-nU_M，C相桥臂电感L_c两端电压为0，C相二极管D_c电流为I_H，B相模块化多电平桥臂SLb电流为-I_M/n；

第十六开关模态：t₁₅≤t<t₁₆，t₁₅时刻第一晶闸管T₁零电压导通，流经第五晶闸管T₅的电流减小，流经第一晶闸管T₁的电流增大，C相模块化多电平桥臂SLc电压仍旧保持U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压略小于U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压略小于U_H-nU_M；

第十七开关模态：t₁₆≤t<t₁₇，t₁₆时刻流经第五晶闸管T₅的电流降低到0，实现自然关断，第一晶闸管T₁和第六晶闸管T₆的电流相等均为I_M，C相模块化多电平桥臂SLc的电压保持U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压小于U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压小于U_H-nU_M，在第五晶闸管T₅两端产生反向电压使其可靠关断；

第十八开关模态：t₁₇≤t<t₁₈，t₁₇时刻C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压降低，A相模块化多电平桥臂SLa和B相模块化多电平桥臂SLb的电压升高，A相二极管D_a开始导通，流经C相二极管D_c的电流线性降低；

第十九开关模态：t₁₈≤t<t₁₉，t₁₈时刻A相模块化多电平桥臂Sla和C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低到U_H-nU_M。

第二十开关模态：t₁₉≤t<t₂₀，t₁₉时刻第二晶闸管T₂零电压导通，流经第六晶闸管T₆的电流线性降低，C相模块化多电平桥臂SLc电压升高，A相模块化多电平桥臂SLa电压保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低；

第二十一开关模态：t₂₀≤t<t₂₁，t₂₀时刻流经第六晶闸管T₆的电流降低到零，实现自然关断，C相模块化多电平桥臂SLc电压为U_H-nU_M，A相模块化多电平桥臂SLa电压为U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低以在第六晶闸管T₆两端施加反向电压，实现可靠关断。

本发明中，所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均采用半控型晶闸管器件串联。

本发明中，所述A相二极管D_a、B相二极管D_b和C相二极管D_c均采用二极管串联。

本发明中，所述A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc均采用半桥或全桥子模块串联。

本发明中，所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅、第六晶闸管T₆、A相二极管D_a、B相二极管D_b和C相二极管D_c可部分或全部替换为双向晶闸管、绝缘栅双极晶体管IGBT、注入增强栅晶体管IEGT、集成门级换流晶闸管IGCT等器件或其它不控、半控或全控型功率器件。

本发明中，所述直流变换器可拓展为采用多个中压变换电路并联、串联或混合串并联，并分别与多个三相变压器一次侧连接，多个三相变压器二次侧可并联、串联或混合串并联，高压变换电路也可采用多个电路进行并联、串联或混合串并联。

本发明具有如下优点：

1、相比于基于隔离型直流变换器功率模块输入串联输出并联的结构，本发明的直流变换器利用晶闸管、二极管和子模块串联来承担中高压直流电压，增强了变换器的可靠性和易用性。

2、相比于基于模块化多电平变换器的面对面直流变换器，本发明将中压侧的模块化多电平变换器替换为可以软开关的晶闸管，将高压侧的一半模块化多电平桥臂替换为二极管，可有效降低变换器体积、成本，提高效率。

3、对于相同输入输出电压等级，本发明主要采用不控和半控器件，大大降低成本。

4、本发明的直流变换器具有体积小、效率高、成本低、功率密度高的特点，非常适用于直流输电中高压直流互联的场景。

附图说明

图1为本发明提出的具有高升压比的隔离型直流变换器的拓扑结构示意图；

图2为本发明提出的直流变换器典型驱动和电压电流波形；

图3为本发明所提拓扑工作在第一开关模态的电流通路图；

图4为本发明所提拓扑工作在第二开关模态的电流通路图；

图5为本发明所提拓扑工作在第三开关模态的电流通路图；

图6为本发明所提拓扑工作在第四开关模态的电流通路图；

图7为本发明所提拓扑工作在第五开关模态的电流通路图；

图8为本发明所提拓扑工作在第六开关模态的电流通路图；

图9为本发明所提拓扑工作在第七开关模态的电流通路图；

图10为本发明的双向拓扑示意图；

图11为本发明所提拓扑衍生示意图；

图12为本发明所提另一种衍生拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种具有高升压比的隔离型直流变换器，如图1所示，所述直流变换器由中压变换电路、三相变压器和高压变换电路构成，U_M为中压直流输入电压，I_M为中压直流输入电流，U_H为高压直流输出电压，I_M为高压直流输出电流；中压侧利用晶闸管串联承担中压直流电压；高压侧利用模块化多电平桥臂与串联二极管形成混合桥臂来承担高压直流电压，降低器件数目，减小变换器体积；通过对模块化多电平桥臂电压的控制，可以实现对输出功率的调节，并且可以实现中压侧器件的软开关，进而提高变换器效率。具体结构如下：

所述中压变换电路包括输入滤波电容C_i、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆；

所述高压变换电路包括A相二极管D_a、B相二极管D_b、C相二极管D_c、A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b、C相桥臂电感L_c、A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc；

所述三相变压器包括三相变压器一次侧和三相变压器二次侧，变压器变比为1:n，各相分别存在A相漏感L_ak、B相漏感L_bk、C相漏感L_ck；

所述第一晶闸管T₁的阴极与第四晶闸管T₄的阳极相连构成第一桥臂，第三晶闸管T₃的阴极与第六晶闸管T₆的阳极相连构成第二桥臂，第五晶闸管T₅的阴极与第二晶闸管T₂的阳极相连构成第三桥臂；

中压直流输入端的正极经输入滤波电容C_i的正极分别连接第一晶闸管T₁、第三晶闸管T₃和第五晶闸管T₅的阳极，中压直流输入端的负极经输入滤波电容C_i的负极分别连接第二晶闸管T₂、第四晶闸管T₄和第六晶闸管T₆的阴极，输入滤波电容C_i两端构成中压直流输入端；

三相变压器一次侧的A相绕组连接第一晶闸管T₁和第四晶闸管T₄的中间节点，三相变压器一次侧的B相绕组连接第三晶闸管T₃和第六晶闸管T₆的中间节点，三相变压器一次侧的C相绕组连接第二晶闸管T₂和第五晶闸管T₅的中间节点；

所述A相桥臂电感L_a的一端与A相二极管D_a的阴极相连，A相二极管D_a的阳极与A相模块化多电平桥臂SLa的正极相连，构成A相桥臂；

所述B相桥臂电感L_b的一端与B相二极管D_b的阴极相连，B相二极管D_b的阳极与B相模块化多电平桥臂SLb的正极相连，构成B相桥臂；

所述C相桥臂电感L_c的一端与C相二极管D_c的阴极相连，C相二极管D_c的阳极与C相模块化多电平桥臂SLc的正极相连，构成C相桥臂；

所述高压直流输出端的正极分别连接A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b和C相桥臂电感L_c的另一端，高压直流输出端的负极分别连接A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc的负极；

所述三相变压器二次侧的A相绕组连接A相二极管D_a和A相模块化多电平桥臂SLa的中间节点，三相变压器二次侧的B相绕组连接B相二极管D_b和B相模块化多电平桥臂SLb的中间节点，三相变压器二次侧的C相绕组连接C相二极管D_c和C相模块化多电平桥臂SLc的中间节点；

所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均采用半控型晶闸管器件串联；

所述A相二极管D_a、B相二极管D_b和C相二极管D_c均采用二极管串联；

所述A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc均采用半桥或全桥子模块串联。

本发明提出的具有高升压比的隔离型直流变换器典型驱动和电压电流波形如图2所示，第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆分别导通三分之一开关周期，每个晶闸管保证固定的开关时序；通过控制高压侧A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压来实现功率的传输。其中：i_A、i_B、i_C分别为三相变压器一次侧A相、B相、C相绕组电流，i_La、i_Lb、i_Lc分别为A相、B相、C相模块化多电平桥臂电流，u_pa、u_pb、u_pc分别为A相、B相、C相模块化多电平桥臂电压。设一个控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₂₁，其中t₀≤t<t₇为第一阶段，t₇≤t<t₁₄为第二阶段，t₁₄≤t<t₂₁为第三阶段。

第一阶段的具体控制方式分为如下七个开关模态：

初始时刻t₀：t₀为一个控制周期的起点，第一晶闸管T₁和第二晶闸管T₂稳定导通。

第一开关模态：t₀≤t<t₁，如图3所示，t₀时刻第一晶闸管T₁和第二晶闸管T₂处于导通状态，第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均关断，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压为高压直流输出端电压U_H，C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压U_H-nU_M，A相桥臂电感L_a两端电压为0。A相二极管D_a电流为高压直流输出电流I_H，C相模块化多电平桥臂SLc电流为三相变压器二次侧的C相绕组电流。

第二开关模态：t₁≤t<t₂，如图4所示，t₁时刻第三晶闸管T₃零电压导通，流经第一晶闸管T₁的电流减小，流经第三晶闸管T₃的电流增大。A相模块化多电平桥臂SLa电压仍旧保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压略小于U_H-nU_M。

第三开关模态：t₂≤t<t₃，如图5所示，t₂时刻流经第一晶闸管T₁的电流降低到0，第一晶闸管T₁自然关断，流经第二晶闸管T₂和第三晶闸管T₃的电流相等均为I_M，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb的电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc的电压略小于U_H-nU_M，在第一晶闸管T₁两端产生反向电压使其可靠关断。

第四开关模态：t₃≤t<t₄，如图6所示，t₃时刻A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压降低，B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压升高，B相二极管D_b开始导通，流经A相二极管D_a的电流线性降低。

第五开关模态：t₄≤t<t₅，如图7所示，t₄时刻A相模块化多电平桥臂SLa和B相模块化多电平桥臂SLb电压恢复到U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H-nU_M。

第六开关模态：t₅≤t<t₆，如图8所示，t₅时刻第四晶闸管T₄零电压导通，流经第二晶闸管T₂的电流线性降低，A相模块化多电平桥臂SLa电压升高，B相模块化多电平桥臂SLb电压保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低。

第七开关模态：t₆≤t<t₇，如图9所示，t₆时刻流经第二晶闸管T₂的电流降低到零，实现自然关断，A相模块化多电平桥臂SLa电压为U_H-nU_M，B相模块化多电平桥臂SLb电压为U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低以在第二晶闸管T₂两端施加反向电压，实现可靠关断。

第二阶段与第三阶段的工作模态与前述七个工作模态类似，故而不再赘述。

图10为本发明的一种双向拓扑示意图，将中压变换电路晶闸管T₁～T₆以及高压变换电路的二极管D₁～D₃替换为双向功率器件，如反并联晶闸管、绝缘栅双极晶体管IGBT、注入增强栅晶体管IEGT、集成门级换流晶闸管IGCT等不控、半控或全控型器件，可以实现中高压直流之间功率双向流动和控制。

图11为本发明的一种衍生拓扑示意图，将中压侧晶闸管T₁～T₆更换为全控型IGCT，仍旧可以实现中压侧器件的软开关，实现高的转换效率。

图12为本发明的一种衍生拓扑示意图，采用两个中压变换电路和两个三相变压器，两个中压变换电路并联，并分别与两个三相变压器的一次侧连接，两个三相变压器的二次侧串联，中压侧晶闸管T₁～T₆电流应力减半。同样可以将中压变换电路换成两个以上电路并联、串联或者串并联组合，高压变换电路换成两个或两个以上电路并联、串联或者串并联组合形式，此处不再累述。

Claims (9)

1.一种高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述直流变换器包括中压变换电路、三相变压器和高压变换电路，其中：

所述中压变换电路包括输入滤波电容C_i、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆；

所述高压变换电路包括A相二极管D_a、B相二极管D_b、C相二极管D_c、A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b、C相桥臂电感L_c、A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc；

所述三相变压器包括三相变压器一次侧和三相变压器二次侧，变压器变比为1:n，各相分别存在A相漏感L_ak、B相漏感L_bk、C相漏感L_ck；

所述第一晶闸管T₁的阴极与第四晶闸管T₄的阳极相连构成第一桥臂，第三晶闸管T₃的阴极与第六晶闸管T₆的阳极相连构成第二桥臂，第五晶闸管T₅的阴极与第二晶闸管T₂的阳极相连构成第三桥臂；

中压直流输入端的正极经输入滤波电容C_i的正极分别连接第一晶闸管T₁、第三晶闸管T₃和第五晶闸管T₅的阳极，中压直流输入端的负极经输入滤波电容C_i的负极分别连接第二晶闸管T₂、第四晶闸管T₄和第六晶闸管T₆的阴极，输入滤波电容C_i两端构成中压直流输入端；

三相变压器一次侧的A相绕组连接第一晶闸管T₁和第四晶闸管T₄的中间节点，三相变压器一次侧的B相绕组连接第三晶闸管T₃和第六晶闸管T₆的中间节点，三相变压器一次侧的C相绕组连接第二晶闸管T₂和第五晶闸管T₅的中间节点；

所述A相桥臂电感L_a的一端与A相二极管D_a的阴极相连，A相二极管D_a的阳极与A相模块化多电平桥臂SLa的正极相连，构成A相桥臂；

所述B相桥臂电感L_b的一端与B相二极管D_b的阴极相连，B相二极管D_b的阳极与B相模块化多电平桥臂SLb的正极相连，构成B相桥臂；

所述C相桥臂电感L_c的一端与C相二极管D_c的阴极相连，C相二极管D_c的阳极与C相模块化多电平桥臂SLc的正极相连，构成C相桥臂；

所述高压直流输出端的正极分别连接A相桥臂电感L_a、B相桥臂电感L_b和C相桥臂电感L_c的另一端，高压直流输出端的负极分别连接A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc的负极；

所述三相变压器二次侧的A相绕组连接A相二极管D_a和A相模块化多电平桥臂SLa的中间节点，三相变压器二次侧的B相绕组连接B相二极管D_b和B相模块化多电平桥臂SLb的中间节点，三相变压器二次侧的C相绕组连接C相二极管D_c和C相模块化多电平桥臂SLc的中间节点。

2.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均采用半控型晶闸管器件串联。

3.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述A相二极管D_a、B相二极管D_b和C相二极管D_c均采用二极管串联。

4.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc均采用半桥或全桥子模块串联。

5.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅、第六晶闸管T₆、A相二极管D_a、B相二极管D_b和C相二极管D_c部分或全部替换为双向功率器件。

6.根据权利要求5所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述双向功率器件为双向晶闸管、绝缘栅双极晶体管IGBT、注入增强栅晶体管IEGT或集成门级换流晶闸管IGCT。

7.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅、第六晶闸管T₆全部替换为全控型IGCT。

8.根据权利要求1所述的高升压比隔离型直流变换器，其特征在于所述中压变换电路、三相变压器和高压变换电路的数量为多个，多个中压变换电路并联、串联或混合串并联，并分别与多个三相变压器一次侧连接，多个三相变压器二次侧并联、串联或混合串并联，高压变换电路采用多个电路进行并联、串联或混合串并联。

9.一种权利要求1-8任一项所述高升压比隔离型直流变换器的控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆分别导通三分之一开关周期，每个晶闸管保证固定的开关时序，通过调节高压侧A相模块化多电平桥臂SLa、B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压来实现功率的传输；

步骤二、设一个控制周期为T_s，时间为t₀≤t<t₂₁，其中，t₀≤t<t₇为第一阶段，t₇≤t<t₁₄为第二阶段，t₁₄≤t<t₂₁为第三阶段，U_M为中压直流输入电压，I_M为中压直流输入电流，U_H为高压直流输出电压，I_H为高压直流输出电流，其中：

一、第一阶段的具体控制方法如下：

初始时刻t₀：t₀为一个控制周期的起点，第一晶闸管T₁和第二晶闸管T₂稳定导通；

第一开关模态：t₀≤t<t₁，t₀时刻第一晶闸管T₁和第二晶闸管T₂处于导通状态，第三晶闸管T₃、第四晶闸管T₄、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均关断，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压为高压直流输出端电压U_H，C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压为U_H-nU_M，A相桥臂电感L_a两端电压为0，A相二极管D_a电流为高压直流输出电流I_H，C相模块化多电平桥臂SLc电流为三相变压器二次侧的C相绕组电流；

第二开关模态：t₁≤t<t₂，t₁时刻第三晶闸管T₃零电压导通，流经第一晶闸管T₁的电流减小，流经第三晶闸管T₃的电流增大；A相模块化多电平桥臂SLa电压仍旧保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压略小于U_H-nU_M；

第三开关模态：t₂≤t<t₃，t₂时刻流经第一晶闸管T₁的电流降低到0，第一晶闸管T₁自然关断，流经第二晶闸管T₂和第三晶闸管T₃的电流相等均为I_M，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb的电压略小于U_H，C相模块化多电平桥臂SLc的电压略小于U_H-nU_M，在第一晶闸管T₁两端产生反向电压使其可靠关断；

第四开关模态：t₃≤t<t₄，t₃时刻A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压降低，B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压升高，B相二极管D_b开始导通，流经A相二极管D_a的电流线性降低；

第五开关模态：t₄≤t<t₅，t₄时刻A相模块化多电平桥臂SLa和B相模块化多电平桥臂SLb电压恢复到U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H-nU_M；

第六开关模态：t₅≤t<t₆，t₅时刻第四晶闸管T₄零电压导通，流经第二晶闸管T₂的电流线性降低，A相模块化多电平桥臂SLa电压升高，B相模块化多电平桥臂SLb电压保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低；

第七开关模态：t₆≤t<t₇，t₆时刻流经第二晶闸管T₂的电流降低到零，实现自然关断，A相模块化多电平桥臂SLa电压为U_H-nU_M，B相模块化多电平桥臂SLb电压为U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压降低以在第二晶闸管T₂两端施加反向电压，实现可靠关断；

二、第二阶段的具体控制方法如下：

第八开关模态：t₇≤t<t₈，t₇时刻第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄处于导通状态，第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆均关断，A相模块化多电平桥臂SLa两端的电压为U_H-nU_M，B相模块化多电平桥臂SLb的电压U_H，B相桥臂电感L_b两端电压为0，B相二极管D_b电流为高压直流输出电流I_H，A相模块化多电平桥臂SLa电流为-I_M/n；

第九开关模态：t₈≤t<t₉，t₈时刻第五晶闸管T₅零电压导通，流经第三晶闸管T₃的电流减小，流经第五晶闸管T₅的电流增大，B相模块化多电平桥臂SLb电压仍旧保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc电压略小于U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压略小于U_H-nU_M；

第十开关模态：t₉≤t<t₁₀，t₉时刻流经第三晶闸管T₃的电流降低到零，实现自然关断，流经第四晶闸管T₄和第五晶闸管T₅的电流相等均为I_M，B相模块化多电平桥臂SLb的电压保持U_H，C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压小于U_H，A相模块化多电平桥臂SLa的电压小于U_H-nU_M，在第三晶闸管T₃两端产生反向电压使其可靠关断；

第十一开关模态：t₁₀≤t<t₁₁，t₁₀时刻B相模块化多电平桥臂SLb两端的电压降低，A相模块化多电平桥臂SLa和C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压升高，C相二极管D_c开始导通，流经B相二极管D_b的电流线性降低；

第十二开关模态：t₁₁≤t<t₁₂，t₁₁时刻B相模块化多电平桥臂SLb和C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压恢复到U_H-nU_M；

第十三开关模态：t₁₂≤t<t₁₃，t₁₂时刻第六晶闸管T₆零电压导通，流经第四晶闸管T₄的电流线性降低，A相模块化多电平桥臂SLa电压降低，B相模块化多电平桥臂SLb电压升高，C相模块化多电平桥臂SLc电压保持U_H；

第十四开关模态：t₁₃≤t<t₁₄，t₁₃时刻流经第四晶闸管T₄的电流降低到零，实现自然关断，B相模块化多电平桥臂SLb电压为U_H-nU_M，C相模块化多电平桥臂SLc电压为U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压降低以在第四晶闸管T₄两端施加反向电压，实现可靠关断；

三、第三阶段的具体控制过程如下：

第十五开关模态：t₁₄≤t<t₁₅，t₁₄时刻第五晶闸管T₅和第六晶闸管T₆处于导通状态，第一晶闸管T₁、第二晶闸管T₂、第三晶闸管T₃和第四晶闸管T₄均关断，C相模块化多电平桥臂SLc的电压为U_H，B相模块化多电平桥臂SLb的电压为U_H-nU_M，C相桥臂电感L_c两端电压为0，C相二极管D_c电流为I_H，B相模块化多电平桥臂SLb电流为-I_M/n；

第十六开关模态：t₁₅≤t<t₁₆，t₁₅时刻第一晶闸管T₁零电压导通，流经第五晶闸管T₅的电流减小，流经第一晶闸管T₁的电流增大，C相模块化多电平桥臂SLc电压仍旧保持U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压略小于U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压略小于U_H-nU_M；

第十七开关模态：t₁₆≤t<t₁₇，t₁₆时刻流经第五晶闸管T₅的电流降低到0，实现自然关断，第一晶闸管T₁和第六晶闸管T₆的电流相等均为I_M，C相模块化多电平桥臂SLc的电压保持U_H，A相模块化多电平桥臂SLa电压小于U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压小于U_H-nU_M，在第五晶闸管T₅两端产生反向电压使其可靠关断；

第十八开关模态：t₁₇≤t<t₁₈，t₁₇时刻C相模块化多电平桥臂SLc两端的电压降低，A相模块化多电平桥臂SLa和B相模块化多电平桥臂SLb的电压升高，A相二极管D_a开始导通，流经C相二极管D_c的电流线性降低；

第十九开关模态：t₁₈≤t<t₁₉，t₁₈时刻A相模块化多电平桥臂Sla和C相模块化多电平桥臂SLc电压恢复到U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低到U_H-nU_M；

第二十开关模态：t₁₉≤t<t₂₀，t₁₉时刻第二晶闸管T₂零电压导通，流经第六晶闸管T₆的电流线性降低，C相模块化多电平桥臂SLc电压升高，A相模块化多电平桥臂SLa电压保持U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低；

第二十一开关模态：t₂₀≤t<t₂₁，t₂₀时刻流经第六晶闸管T₆的电流降低到零，实现自然关断，C相模块化多电平桥臂SLc电压为U_H-nU_M，A相模块化多电平桥臂SLa电压为U_H，B相模块化多电平桥臂SLb电压降低以在第六晶闸管T₆两端施加反向电压，实现可靠关断。

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