CN112910272A - 一种隔离变压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离变压装置，其包括交流电源输入及一个输入端串联连接电感，多个输入电容组，多个高压逆变模块，一个或多个变压器，一个低压整流模块。本发明的隔离变压装置可直接接入高压交流电，可实现电能双向流动，将电能在高压交流电与低压交流电或低压直流电之间任意转换，电路结构简单，变换级数少，可使用多绕组高频变压器，成本低，可靠性高，体积小，效率高。

Description

一种隔离变压装置
技术领域
本发明涉及一用于电网供电系统的一种隔离变压装置，属于电力电子领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高和家用电器的普及，别是住宅用户的用电量逐年大幅增长，然而厂矿单位、住宅小区、商店等配电线路更新改造速度相对滞后，导致线路末端电压远低于允许范围，同时电压波动很大，电网普遍频繁出现过负荷现象，洗衣机、空调器、电视机等非照明负荷难以正常工作，并对电器设备造成巨大危害。同时，传统供电系统采用的工频变压器用量巨大，消耗了大量的铜、铁等金属，并使用大量绝缘油等材料，造成严重环境污染。
随着电力电子技术的不断发展，用基于电力电子技术的隔离变压技术取代传统变压器，也称为电力电子变压器，并改进传统供电方式变成可行。用电力电子技术取代传统变压器后，可大幅度减少金属材料资源的消耗，降低变压器自耗电，就地稳定供电电压，实现高压入户方式供电，大幅度减少低压电缆的用量，降低配网建设成本，降低线路网损。
中国专利CN105932883A公开了一种基于能量注入式直接AC-AC变换器的电力电子变压器，其可实现能量的单级变换双向传输、拓扑结构简单、转换效率高、体积小、成本低。然而由于其半导体器件需承受输入电压，致使其只能用于电网电压较低的场合，而目前国内外供电配网系统主干线普遍采用6kv，10kv，35kv，以目前半导体器件水平，还难以满足要求。
中国专利CN105897004A公开了一种多电平直流母线自平衡的电力电子变压器拓扑结构，其采用多电平中点钳位技术，可实现高压输入，不需要直流母线电容的电压反馈进行电容电压均衡，整流侧的控制算法大大简化。然而该电路结构复杂，为4级变换，成本高，自身损耗大，难以广泛推广应用。
中国专利CN105680488A公开了一种应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器，采用MMC级联方式，可直接高压输入。然而该电路同样是结构复杂，为4级变换，成本高，自身损耗大，难以广泛推广应用。
发明内容
本发明的目的是设计一种隔离变压装置，其可直接接入高压交流电，可实现电能双向流动，将电能在高压交流电与低压交流电或低压直流电之间任意转换，具有电路结构简单，变换级数少，可使用多绕组高频变压器，成本低，可靠性高，体积小，效率高。
本发明的一种隔离变压装置，包括：
连接电网的输入端（Vin1、Vin2），其中一个输入端串联连接电感（1），所述电感（1）用于滤除电网输入电流的高频脉动成分；
多个输入电容组（2），每个输入电容组（2）由两只电容串联而成，多个输入电容组（2）串联连接，形成电容组串，所述电容组串一端连接所述电感（1），另一端连接电网的另一个输入端（Vin2），所述输入电容组（2）与所述电感（1）配合，可滤除电流的脉动成分，同时，多个串联连接的输入电容组（2）还起到输入电压均压作用；
多个高压模块，所述每个高压模块的三个输入端分别与所述输入电容组（2）的两端及中点连接，所述高压模块将低频电压斩波调制成高频电压，以减小变压器体积重量，同时可实现能量的双向传递；
多个串联电容（7），所述串联电容（7）的一端与所述高压模块的一个输出（Uo1）串联连接，其将所述高压模块输出的高频电压耦合到后级变压器，并阻隔低频电压成份；
一个或多个变压器（3），所述一个或多个变压器（3）的多个原边绕组的两端，分别与所述串联电容（7）的一端、及高压模块的一个输出端（Uo2）连接，所述变压器（3）实现电气隔离，同时在原副边之间传递能量，并实现能量的双向传递；所述变压器（3）的原边绕组还可串联电感，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过该电感增加电感值，以减所述低变压器（3）绕组高频电流脉动成份。
一个低压模块（5），其输入端分别与所述变压器（3）的一个或多个副边绕组连接，其输出端形成本变流装置的输出端，低压模块（5）完成变压器副边输出高频电压的整流，滤波及逆变输出功能，并可双向传递电能。
本发明的的一种隔离变压装置，所述的高压模块是由四只、分两组、每组同向串联的半导体开关器件（6）组成；所述两组半导体开关器件（6）进一步反向串联连接，其两端（Ui1，Ui2）作为输入端分别与所述输入电容组（2）的两端连接，其中点（Ui0）与输入电容组（2）的中点连接；所述两组同向串联的半导体开关器件（6）中，两组的中点（Uo1，Uo2）作为所述高压模块的两个输出端；所述半导体开关器件（6）可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
本发明的一种隔离变压装置，所述的一个或多个变压器（3）包括：
多个原边绕组，每个所述原边绕组的一端与所述高压模块的输出端连接，另一端与所述串联电容（7）的一端连接；
一个或多个副边绕组，每个所述副边绕组与低压模块（5）连接，进一步的，多个副边绕组的两端可以并联连接后接入低压模块（5）；
一个或多个铁芯，每个铁芯至少绕制一个原边绕组及一个副边绕组，多个原边及副边绕组可共用一个铁芯。
本发明的一种隔离变压装置，所述的低压模块（5）包括：
一个或多个整流模块，其输入端分别与所述变压器（3）的副边绕组的连接；
一个或多个输出模块，所述输出模块的输入端与所述整流模块的输出端并联连接，所述输出模块的输出端作为本装置的输出端（Vo1，Vo2）。
本发明低压模块（5）所述的整流模块包括：
两个串联连接的半导体开关器件，形成一个桥臂，其两个端点形成整流模块的输出端（+，-），桥臂中点作为整流模块的一个输入端，所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种；
两个串联连接的电容器（4），其两端与所述桥臂的两个输出端并联连接，其中点作为整流模块的另一个输入端。
本发明低压模块（5）所述的整流模块包括：
由四个半导体开关器件组成的一个单相逆变桥电路，其两个正负端形成整流模块的输出端（+，-），两个桥臂的中点作为整流模块的两个输入端，所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种；
一个电容器，其两端与所述逆变桥电路的正负输出端并联连接。
本发明低压模块（5）的整流模块的桥臂中点经过一个电感连接到输入端，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过所述电感增加电感值，以减低高频电流脉动成分。
本发明低压模块（5）的输出模块是由两个半导体开关器件串联连接，形成一个桥臂，其两个端点形成输出模块的输入端（+，-），桥臂中点连接一个电感，电感的另一端作为输出模块的输出端；所述输出电容组（4）的中点引出作为另一个输出端；所述半导体开关器件可以是IGBT、MOSFET、IGCT等逆导型功率半导体的一种。
本发明低压模块（5）的输出模块是由四个半导体开关器件组成的一个单相逆变桥电路，其两个正负端点形成输出模块的输入端（+，-），桥臂的一个中点连接一个电感后引出，与另一个桥臂的中点作为输出模块的输出端；所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
本发明采用上述技术方案，能产生如下有益的技术效果：
本发明可实现传统工频变压器的变压、隔离、能量双向传递等基本能，原边变流部分采用单级低频交流至高频交流的变换方案，相比已经有技术，显著降低了线路复杂程度及装置成本，且具有更高的工作效率。本发明的变流电路工作于低电压状态，dv/dt等电磁干扰及辐射小，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一种隔离变压装置的电气结构框图。
图2是本发明的高压模块的电路原理图。
图3是本发明的低压模块（5）的整流模块电路原理图。
图4是本发明的低压模块（5）的整流模块另一电路原理图。
图5是本发明的低压模块（5）的输出模块的电路结构图。
图6是本发明的低压模块（5）的输出模块的另一个电路结构图。
具体实施方式
为了更具体的描述本发明，下面结合附图，详细介绍本发明的一种隔离变压装置实施及工作过程。
如图1所示，是本发明一种隔离变压装置的电气结构图。其中高压交流电源由端口Vin1及Vin2接入，其中一个输入端串联连接电感（1），该电感（1）用于滤除电网输入电流的高频脉动成分；通过电感（1）并联于电网的电容组串，与所述电感（1）配合，可滤除电流的脉动成分，同时，多个串联连接的电容组串还起到输入电压的均压作用，实现了使输入高压交流电变为多级串联的低压交流电，而输入电容组（2）的数量由输入电网电压等级确定，串联的电容越多，则每组电容上所承担的电压越低。
本发明一种隔离变压装置包含了多个高压模块，每个高压模块的两个输入端及中点分别与所述输入电容组（2）的两端及中点连接，高压模块的的数量与输入电容组（2）一致，从而每个高压模块的输入电压都是通过电容串分压之后的低压电，因而每个高压模块的内部电路只需要承受相应的低等级电压。高压模块工作于pwm脉宽调制状态，将低频电压斩波调制成高频电压，实现了减小变压器体积重量。
本发明包含多个串联电容（7），所述串联电容（7）与所述高压模块的一个输出（Uo1）串联连接，而串联电容（7）另一端与变压器原边绕组连接，串联电容（7）将所述高压模块输出的高频电压耦合到后级变压器，并阻隔低频电压成份；
本发明一种隔离变压装置包含一个或多个变压器（3），这些变压器（3）的原边绕组的两端，分别与所述高压模块的输出端、及所述串联电容（7）连接，高压模块所输出的pwm脉宽调制后的高频电压，通过输入电容组（2）接入原边绕组，形成回路，电能通过变压器隔离后传递到副边绕组。针对不同应用场合，所述的一个或多个变压器（3），每个原边绕组可以对应一个铁芯，多个原边绕组也可以共用一个铁芯；每个原边绕组可以对应一个副边绕组，也可以是多个原边绕组对应一个或多个副边绕组；变压器（3）的原边绕组还可串联电感，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过该电感增加电感值，以减低变压器绕组高频电流脉动成份。
所述变压器副边绕组接入低压模块（5），低压模块（5）完成变压器副边输出的高频整流，滤波及逆变输出功能。
图2是本发明的高压模块的电路原理图。其包括四只串联连接的半导体开关器件（6），上、下两端及中点是输入端（Ui1，Ui2，Ui0），连接所述输入电容组（2）的两端及其中点，所述两组同向串联的半导体开关器件（6）中，两组的中点（Uo1，Uo2）作为所述高压模块的两个输出端，其中一个连接串联电容（7）后接入变压器原边绕组，高压模块的另一个输出端接入变压器原边绕组的另一端；当输入电压为正或负时，四只半导体开关器件（6）按一定顺序协同工作，进行PWM脉宽调制，即可实现将输入电压转变为高频电压。
图3是本发明低压模块（5）的整流模块电路原理图。整流模块包括两个串联连接的半导体开关器件，形成一个桥臂，其两个端点形成整流模块的输出端（+，-），桥臂中点作为整流模块的一个输入端，所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种；整流模块还包括两个串联连接的电容器（4），其两端与所述桥臂的两个输出端并联连接，其中点作为整流模块的另一个输入端。整流模块的输入端与变压器（3）的副边绕组连接，从变压器（3）副边绕组进入的高频电压经整流模块及电容器（4）变为直流电压或脉动的直流电压，实现了整流功能，同时，整流模块还可工作于可逆状态，从而实现电能的反向传输。
图4是本发明的低压模块（5）的整流模块另一电路原理图。其与图3实施例的区别是采用了由四只半导体开关器件连接成的单相逆变桥电路，两个桥臂的中点作为整流模块的输入端，而电容则不需要串联，其工作原理与图3实施例相同，不再重复叙述。。
所述整流模块的桥臂中点还可串联一个电感作为输入端，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过所述电感增加电感值，以减低高频电流脉动成份。
图5是本发明的低压模块（5）的输出模块的电路结构图。输出模块是由两个串联连接的半导体开关器件，形成一个桥臂，其两个端点形成输出模块的输入端（+，-），与所述整流模块的输出端（+，-）并联，桥臂中点连接一个电感，电感的另一端作为输出模块的输出端；而所述输出电容组（4）的中点引出作为另一个输出端；所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。输出模块将整流后的直流电压或脉动直流电压、通过半导体开关器件，变换为电压可控的低频交流电，同时，输出模块还可工作于可逆状态，从而实现电能的反向传输。
图6是本发明的低压模块（5）的输出模块的另一个电路结构图。其与图5实施例的区别是采用了由四只半导体开关器件连接成的单相逆变桥电路，两个桥臂的中点作为输出模块的输输出端，其工作原理与图3实施例相同，不再重复叙述。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隔离变压装置，其特征在于，其包括：
连接电网的输入端（Vin1、Vin2），其中一个输入端串联连接电感（1），所述电感（1）用于滤除电网输入电流的高频脉动成分；
多个输入电容组（2），每个输入电容组（2）由两只电容串联而成，多个输入电容组（2）串联连接，形成电容组串，所述电容组串一端连接所述电感（1），另一端连接电网的另一个输入端（Vin2），所述输入电容组（2）与所述电感（1）配合，可滤除电流的脉动成分，同时，多个串联连接的输入电容组（2）还起到输入电压均压作用；
多个高压模块，所述每个高压模块的三个输入端（Ui1，Ui2 ，Ui0）分别与所述输入电容组（2）的两端及中点连接，所述高压模块将低频电压斩波调制成高频电压，以减小变压器体积重量，同时可实现能量的双向传递；
多个串联电容（7），所述串联电容（7）的一端与所述高压模块的一个输出（Uo1）串联连接，其将所述高压模块输出的高频电压耦合到后级变压器，并阻隔低频电压成份；
一个或多个变压器（3），所述一个或多个变压器（3）的多个原边绕组的两端，分别与所述串联电容（7）的一端、及高压模块的一个输出端（Uo2）连接，所述变压器（3）实现电气隔离，同时在原副边之间传递能量，并实现能量的双向传递；所述变压器（3）的原边绕组还可串联电感，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过该电感增加电感值，以减所述低变压器（3）绕组高频电流脉动成份；
一个低压模块（5），其输入端分别与所述变压器（3）的一个或多个副边绕组连接，其输出端形成本变流装置的输出端，低压模块（5）完成变压器副边输出高频电压的整流，滤波及逆变输出功能，并可双向传递电能。
2.根据权利要求1所述的一种隔离变压装置，其特征在于，所述的高压模块是由四只、分两组、每组同向串联的半导体开关器件（6）组成；所述两组半导体开关器件（6）进一步反向串联连接，其两端（Ui1，Ui2）作为输入端分别与所述输入电容组（2）的两端连接，其中点（Ui0）与输入电容组（2）的中点连接；所述两组同向串联的半导体开关器件（6）中，两组的中点（Uo1，Uo2）作为所述高压模块的两个输出端；所述半导体开关器件（6）可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
3.根据权利要求1所述的一种隔离变压装置，其特征在于，所述的一个或多个变压器（3）包括：
多个原边绕组，每个所述原边绕组的一端与所述高压模块的输出端连接，另一端与所述串联电容（7）的一端连接；
一个或多个副边绕组，每个所述副边绕组与低压模块（5）连接，进一步的，多个副边绕组的两端可以并联连接后接入低压模块（5）；
一个或多个铁芯，每个铁芯至少绕制一个原边绕组及一个副边绕组，多个原边及副边绕组可共用一个铁芯。
4.根据权利要求1所述的一种隔离变压装置，其特征在于，所述的低压模块（5）包括：
一个或多个整流模块，其输入端分别与所述变压器（3）的副边绕组的连接；
一个或多个输出模块，所述输出模块的输入端与所述整流模块的输出端并联连接，所述输出模块的输出端作为本装置的输出端（Vo1，Vo2）。
5.根据权利要求4所述的低压模块（5），其特征在于，所述的整流模块包括：
两个串联连接的半导体开关器件，形成一个桥臂，其两个端点形成整流模块的输出端（+，-），桥臂中点作为整流模块的一个输入端，所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种；
两个串联连接的电容器（4），其两端与所述桥臂的两个输出端并联连接，其中点作为整流模块的另一个输入端。
6.根据权利要求4所述的低压模块（5），其特征在于，所述的整流模块包括：
由四个半导体开关器件组成的一个单相逆变桥电路，其两个正负端形成整流模块的输出端（+，-），两个桥臂的中点作为整流模块的两个输入端，所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种；
一个电容器，其两端与所述逆变桥电路的正负输出端并联连接。
7.根据权利要求5、6所述的整流模块，其特征在于，所述整流模块的桥臂中点经过一个电感连接到输入端，当所述变压器（3）的漏感较小时，可通过所述电感增加电感值，以减低高频电流脉动成分。
8.根据权利要求4所述的低压模块（5），其特征在于，所述的输出模块是由两个半导体开关器件串联连接，形成一个桥臂，其两个端点形成输出模块的输入端（+，-），桥臂中点连接一个电感，电感的另一端作为输出模块的输出端；所述输出电容组（4）的中点引出作为另一个输出端；所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
9.根据权利要求4所述的低压模块（5），其特征在于，所述的输出模块是由四个半导体开关器件组成的一个单相逆变桥电路，其两个正负端点形成输出模块的输入端（+，-），桥臂的一个中点连接一个电感后引出，与另一个桥臂的中点作为输出模块的输出端；所述半导体开关器件可以是逆导型IGBT、MOSFET、IGCT等功率半导体的一种。
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CN114448286A (zh) * 2022-03-10 2022-05-06 南京君海数能科技有限公司 单级隔离双向ac-dc变换器拓扑结构及其控制方法

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