CN113285590B - 一种基于悬浮模块的多电平均压型dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于悬浮模块的多电平均压型DC‑DC变换器，由m个悬浮模块构成，m个悬浮模块分别为：SM₁,SM₂,…,SM_j‑1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m，m为≥2的整数，每个悬浮模块由电容单元CU和均压单元VBU构成；悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，P_x1、P_x2构成输入端口，P_x3、P_x4构成输出端口，其中x＝1,2,……,m；m个悬浮模块的输入端口串联，连接至输入侧或输出侧，且m个悬浮模块的输出端口并联，连接至输出侧或输入侧。变换器中，m个悬浮模块的输出端口并联后，能够并联在某个悬浮模块的输入端口上，此时该悬浮模块移除均压单元VBU，对外仅引出输入端口。

Description

一种基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器

技术领域

本发明涉及多电平直流变换技术领域，具体说是一种基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器。

背景技术

中国幅员辽阔，为解决能源分布不均衡问题，建设远距离大功率的直流输配电网势在必行，这进一步促进了中高压大功率DC-DC变换器的研究。传统大容量DC-DC变换器如二极管箝位型变换器、双侧有源桥(DAB)式变换器等，其应用于高压直流电网互联时，为达到系统的电压和电流应力要求，通常需要大量器件串并联，然而串并联器件间的均压和均流问题限制了传统DC-DC变换器拓扑在大功率直流输配电领域的应用。

多电平均压型DC-DC变换器凭借结构模块化、电容电压自均衡、能量双向流动、开关器件电压应力低等优势近年来得到广泛研究。传统多电平均压型DC-DC变换器通常由多个支撑电容和均压电路构成，其中支撑电容串联承受直流侧高电压，均压电路在各支撑电容之间进行能量传递。然而，当某个支撑电容和均压电路所构成的模块发生故障后，极易造成支撑电容短路放电事故；由于不具备故障模块切除能力，导致故障由故障模块向正常模块扩散，进而影响整个变换器的正常运行，甚至造成严重的安全事故。

为提高传统多电平均压型DC-DC变换器的故障保护能力，本专利提出了基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器。相对于传统的多电平均压型DC-DC变换器，基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器在模块发生故障时可迅速切除故障模块，同时投入冗余模块，确保变换器正常工作。在高压直流侧发生短路故障时，可迅速切除全部模块，避免支撑电容通过短路回路放电，确保多电平均压型DC-DC变换器自身安全。因此，基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器具备良好的故障保护能力，适用于中高压大功率直流变换场合。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器。相对于传统多电平均压型DC-DC变换器，基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器采用悬浮模块，具有良好的故障保护能力。在模块发生故障时可迅速切除故障模块，并将冗余模块投入运行，确保变换器正常工作；而在高压直流侧发生短路故障时，可迅速切除全部模块，避免支撑电容通过短路故障处放电，确保多电平均压型DC-DC变换器具有故障穿越能力。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，由m个悬浮模块构成，m个悬浮模块分别为：

SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m，m为≥2的整数，每个悬浮模块均由电容单元CU和均压单元VBU构成；

悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，其中P_x1、P_x2构成输入端口，P_x3、P_x4构成输出端口，其中x＝1,2,……,m；

m个悬浮模块的输入端口串联，连接至输入侧或输出侧，且m个悬浮模块的输出端口并联，连接至输出侧或输入侧。

在上述方案的基础上，所述变换器中，m个悬浮模块的输出端口并联后，能够并联在某个悬浮模块的输入端口上，此时该悬浮模块移除均压单元VBU，对外仅引出输入端口。

在上述方案的基础上，所述变换器中，电容单元CU由支撑电容C和开关半桥构成，开关半桥由上开关K₁和下开关K₂构成，开关半桥的上开关K₁桥臂外侧引出端子X_c1，桥臂中点引出端子X_c2，下开关K₂桥臂外侧引出端子X_c3；

均压单元VBU由第一开关半桥、第二开关半桥和谐振支路构成，第一开关半桥由上开关S₁和下开关S₂构成，第二开关半桥由上开关S₃和下开关S₄构成，谐振支路由谐振电容C_r和谐振电感L_r串联而成，并连接在两个开关半桥的桥臂中点之间；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4，构成第一类均压单元VBU；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4，构成第二类均压单元VBU。

在上述方案的基础上，所述变换器中，根据电容单元CU、均压单元VBU和悬浮模块端子连接的不同，悬浮模块具体包含四种基本类型：

一类悬浮模块SM，一类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1相连，电容单元CU的端子X_c2与一类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、一类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与一类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与一类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

二类悬浮模块SM，二类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、二类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与二类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2相连，均压单元VBU的端子X_v3与二类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与二类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

三类悬浮模块SM，三类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1悬空，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v1、三类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、三类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与三类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU端子X_v4与三类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

四类悬浮模块SM，四类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、四类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v2、四类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3悬空，均压单元VBU的端子X_v3与四类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU端子X_v4与四类悬浮模块SM的端子P_x4相连。

在上述方案的基础上，悬浮模块包含正常工作状态和冗余状态两种典型状态；

一类悬浮模块SM和三类悬浮模块SM，正常工作状态下，电容单元CU中的上开关K₁闭合，下开关K₂断开，冗余状态下，电容单元CU中的上开关K₁断开，下开关K₂闭合；

二类悬浮模块SM和四类悬浮模块SM，正常工作状态下，电容单元CU中的上开关K₁断开，下开关K₂闭合，冗余状态下，电容单元CU中的上开关K₁闭合，下开关K₂断开。

在上述方案的基础上，一类悬浮模块SM、二类悬浮模块SM、三类悬浮模块SM和四类悬浮模块SM均是基于单个支撑电容的两电平悬浮模块，各类两电平悬浮模块之间可任意组合，构成三电平或多电平悬浮模块；

基于三电平或多电平悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器相对于基于两电平悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，模块数量大大降低，且采用叠层母排等结构可大大简化模块内端子连接，进而减小寄生参数带来的损耗。

在上述方案的基础上，所述变换器中，其控制策略为：

基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器中，一部分悬浮模块投入运行，即处于正常工作状态，另外一部分悬浮模块未投入运行，即处于冗余状态(也称这些悬浮模块为冗余模块)；

当检测到投入运行的一个或数个悬浮模块中发生故障，这些故障模块由正常工作状态切换至冗余状态，同时同等数量的冗余模块由冗余状态切换至正常工作状态；

当检测到故障模块中故障已清除，故障模块再次投入运行，同时在故障过程中投入正常工作状态的冗余模块切换回冗余状态，直至下次故障时再投入运行；

当检测到高压直流侧发生短路故障时，所有悬浮模块均切换至冗余状态，此时所有支撑电容均被旁路，进而阻断故障电流对电容放电的通路，避免烧毁整套装置。

本发明所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，在保留传统多电平均压型DC-DC变换器结构模块化、电容电压自均衡、能量双向流动、开关器件电压应力低等特点的基础上，采用悬浮模块来构成多电平均压型DC-DC变换器，通过控制悬浮模块在工作状态和冗余状态切换，实现了故障保护，克服了传统的多电平均压型DC-DC变换器在故障保护方面的不足。因此，基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器适用于中高压大功率直流变换场合。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器方案一示意图；

图2本发明基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器方案二示意图；

图3本发明悬浮模块中电容单元CU结构示意图；

图4本发明悬浮模块中第一类均压单元VBU结构示意图，

图5本发明悬浮模块中第二类均压单元VBU结构示意图；

图6本发明一类悬浮模块SM结构示意图；

图7本发明一类悬浮模块SM典型拓扑示意图；

图8本发明二类悬浮模块SM结构示意图；

图9本发明二类悬浮模块SM典型拓扑示意图；

图10本发明三类悬浮模块SM结构示意图；

图11本发明四类悬浮模块SM结构示意图；

图12本发明基于一类悬浮模块SM和二类悬浮模块SM构成的三电平悬浮模块SM结构示意图；

图13本发明三电平悬浮模块SM典型拓扑示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器的方案一，由m个悬浮模块构成，m个悬浮模块分别为：

SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m，m为≥2的整数；

悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，其中P_x1、P_x2构成输入端口，P_x3、P_x4构成输出端口；

m个悬浮模块的输入端口串联，连接至输入侧或输出侧，且m个悬浮模块的输出端口并联，连接至输出侧或输入侧。

在上述方案的基础上，如图1所示，为本发明变换器方案一的示意图，其中：

m个悬浮模块SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m按照电位关系自下而上依次排列；

悬浮模块SM_j对外引出P_j1、P_j2、P_j3和P_j4四个端子，其中端子P_j1连接至上级悬浮模块SM_j+1的端子P_(j+1)2，端子P_j2连接至下级悬浮模块SM_j-1的端子P_(j-1)1，端子P_j3连接至所有悬浮模块SM_x的端子P_x3(x＝1,2,……,m)，端子P_j4连接至所有悬浮模块SM_x的端子P_x4；

悬浮模块SM_m的端子P_m1连接至输入侧或输出侧的正极端，悬浮模块SM₁的端子P₁₂连接至输入侧或输出侧的负极端，所有悬浮模块SM_x的端子P_x3连接至输出侧或输入侧的正极端，所有悬浮模块SM_x的端子P_x4连接至输出侧或输入侧的负极端。

如图2所示，本发明所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器的方案二，由m个悬浮模块构成，m个悬浮模块分别为：

SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m，m为≥2的整数；

悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，其中P_x1、P_x2构成输入端口，P_x3、P_x4构成输出端口，其中x＝1,2,……,m；

m个悬浮模块的输入端口串联，连接至输入侧或输出侧，且m个悬浮模块的输出端口并联后并联在某个悬浮模块的输入端口上，作为输出侧或输入侧，此时该悬浮模块移除均压单元VBU，对外仅引出输入端口。

在上述方案的基础上，如图2所示，为本发明变换器方案二的示意图，其中：

m个悬浮模块SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m按照电位关系自下而上依次排列；

悬浮模块SM_j对外引出P_j1、P_j2两个端子，其中端子P_j1连接至上级悬浮模块SM_j+1的端子P_(j+1)2，且端子P_j2连接至下级悬浮模块SM_j-1的端子P_(j-1)1；

除悬浮模块SM_j外的悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，其中端子P_x1连接至上级悬浮模块SM_x+1的端子P_(x+1)2，端子P_x2连接至下级悬浮模块SM_x-1的端子P_(x-1)1，端子P_x3连接至悬浮模块SM_j的端子P_j1，端子P_x4连接至悬浮模块SM_j的端子P_j2；

悬浮模块SM_m的端子P_m1连接至输入侧或输出侧的正极端，悬浮模块SM₁的端子P₁₂连接至输入侧或输出侧的负极端，悬浮模块SM_j的端子P_j1连接至输出侧或输入侧的正极端，悬浮模块SM_j的端子P_j2连接至输出侧或输入侧的负极端。

在上述技术方案的基础上，每个悬浮模块均由电容单元CU和均压单元VBU构成。

如图3所示，本发明所述的悬浮模块中电容单元CU结构示意图，由支撑电容C和开关半桥(K₁、K₂)构成；

开关半桥的上开关K₁桥臂外侧引出端子X_c1，桥臂中点引出端子X_c2，下开关K₂桥臂外侧引出端子X_c3。

根据均压单元VBU端子引出位置不同，将其划分为第一类均压单元VBU和第二类均压单元VBU。

如图4所示，本发明所述的悬浮模块中第一类均压单元VBU结构示意图，由第一开关半桥(S₁、S₂)、第二开关半桥(S₃、S₄)和谐振支路构成，谐振支路由谐振电容C_r和谐振电感L_r串联而成，并连接在两个开关半桥的桥臂中点之间；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4。

如图5所示，本发明所述的悬浮模块中第二类均压单元VBU结构示意图，由第一开关半桥(S₁、S₂)、第二开关半桥(S₃、S₄)和谐振支路构成，谐振支路由谐振电容C_r和谐振电感L_r串联而成，并连接在两个开关半桥的桥臂中点之间；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4。

在上述技术方案的基础上，电容单元CU、均压单元VBU和悬浮模块之间存在多种电气连接形式，根据端子电气连接的不同，悬浮模块可划分为四种基本类型：

如图6所示的一类悬浮模块SM；

如图8所示的二类悬浮模块SM；

如图10所示的三类悬浮模块SM；

如图11所示的四类悬浮模块SM。

如图6所示，本发明所述的一类悬浮模块SM结构示意图，由电容单元CU和均压单元VBU构成；

一类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU引出X_c1、X_c2和X_c3三个端子，电容VBU引出X_v1、X_v2、X_v3和X_v4四个端子；

电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1相连，电容单元CU的端子X_c2与一类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、一类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与一类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与一类悬浮模块SM的端子P_x4相连。

如图7所示，本发明所述的一类悬浮模块SM典型拓扑示意图，选取电容单元CU和第一类均压单元VBU构成。一类悬浮模块SM包含正常工作状态和冗余状态两种典型状态：

正常工作状态，电容单元CU中上开关K₁闭合，下开关K₂断开，均压单元VBU中开关S₁、S₂、S₃和S₄根据正常脉冲工作，此时输入侧通过一类悬浮模块SM向输出侧进行能量传递；

冗余状态，电容单元CU中上开关K₁断开，下开关K₂闭合，均压单元VBU中开关S₁、S₂、S₃和S₄均断开，此时输入侧或输出侧与一类悬浮模块SM无能量传递。

如图8所示，本发明所述的二类悬浮模块SM结构示意图，由电容单元CU和均压单元VBU构成；

二类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU引出X_c1、X_c2和X_c3三个端子，电容VBU引出X_v1、X_v2、X_v3和X_v4四个端子；

电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、二类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与二类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2相连，均压单元VBU的端子X_v3与二类悬浮模块SM是端子P_x3相连，均压单元VBU端子X_v4与二类悬浮模块SM的端子P_x4相连。

如图9所示，本发明所述的二类悬浮模块SM典型模态示意图，选取电容单元CU和第一类均压单元VBU构成。二类悬浮模块SM包含正常工作状态和冗余状态两种典型状态：

正常工作状态，电容单元CU中上开关K₁断开，下开关K₂闭合，均压单元VBU中开关S₁、S₂、S₃和S₄根据正常脉冲工作，此时输入侧通过二类悬浮模块SM向输出侧进行能量传递；

冗余状态，电容单元CU中上开关K₁闭合，下开关K₂断开，均压单元VBU中开关S₁、S₂、S₃和S₄均断开，此时输入侧或输出侧与二类悬浮模块SM无能量传递。

如图10所示，本发明所述的三类悬浮模块SM结构示意图，由电容单元CU和均压单元VBU构成；

三类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU引出X_c1、X_c2和X_c3三个端子，电容VBU引出X_v1、X_v2、X_v3和X_v4四个端子；

电容单元CU的端子X_c1悬空，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v1、三类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、三类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与三类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与三类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

三类悬浮模块SM的典型状态与一类悬浮模块SM相同。

如图11所示，本发明所述的四类悬浮模块SM结构示意图，由电容单元CU和均压单元VBU构成；

四类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU引出X_c1、X_c2和X_c3三个端子，电容VBU引出X_v1、X_v2、X_v3和X_v4四个端子；

电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、四类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v2、四类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3悬空，均压单元VBU的端子X_v3与四类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与四类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

四类悬浮模块SM的典型状态与二类悬浮模块SM相同。

如图12所示，本发明所述的基于一类悬浮模块SM和二类悬浮模块SM构成的三电平悬浮模块SM结构示意图，由一类悬浮模块SM(即电容单元CU₁和均压单元VBU₁)和二类悬浮模块SM(即电容单元CU₂和均压单元VBU₂)构成；

三电平悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU₁引出X_c11、X_c21和X_c31三个端子，电容单元CU₂引出X_c12、X_c22和X_c32三个端子，均压单元VBU₁引出X_v11、X_v21、X_v31和X_v41四个端子，均压单元VBU₂引出X_v12、X_v22、X_v32和X_v42四个端子；

电容单元CU₁的端子X_c11与均压单元VBU₁的端子X_v11相连，电容单元CU₁的端子X_c21与三电平悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU₁的端子X_c31与均压单元VBU₁的端子X_v21、电容单元CU₂的端子X_c12、均压单元VBU₂的端子X_v12相连，电容单元CU₂的端子X_c22与三电平悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU₂的端子X_c32与均压单元VBU₂的端子X_v22相连，均压单元VBU₁的端子X_v31、均压单元VBU₂的端子X_v32与三电平悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU₁的端子X_v41、均压单元VBU₂的端子X_v42与三电平悬浮模块SM的端子P_x4相连。

如图13所示，本发明所述的三电平悬浮模块SM典型拓扑示意图，选取电容单元CU₁、CU₂和第一类均压单元VBU₁、VBU₂构成。三电平悬浮模块SM包含正常工作状态和冗余状态两种典型状态：

正常工作状态，电容单元CU₁中上开关K₁₁闭合，下开关K₂₁断开，电容单元CU₂中上开关K₁₂断开，下开关K₂₂闭合，均压单元VBU₁、VBU₂中各开关根据正常脉冲工作，此时输入侧通过三电平悬浮模块SM向输出侧进行能量传递；

冗余状态，电容单元CU₁中上开关K₁₁断开，下开关K₂₁闭合，电容单元CU₂中上开关K₁₂闭合，下开关K₂₂断开，均压单元VBU₁、VBU₂中各开关均断开，此时输入侧或输出侧与三电平悬浮模块SM无能量传递。

在上述方案的基础上，基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器中，一部分悬浮模块投入运行，即处于正常工作状态，另外一部分悬浮模块未投入运行，即处于冗余状态；

当检测到投入运行的一个或数个悬浮模块中发生故障，这些故障模块由正常工作状态切换至冗余状态，同时同等数量的冗余模块由冗余状态切换至正常工作状态；

当检测到故障模块中故障已清除，故障模块再次投入运行，同时在故障过程中投入正常工作状态的冗余模块切换回冗余状态，直至下次故障时再投入运行；

当检测到高压直流侧发生短路故障时，所有悬浮模块均切换至冗余状态，此时所有支撑电容均被旁路，进而阻断故障电流对电容放电的通路，避免烧毁整套装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，其特征在于，所述基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，由m个悬浮模块构成，m个悬浮模块分别为：SM₁,SM₂,…,SM_j-1,SM_j,SM_j+1,…,SM_m，m为≥2的整数，每个悬浮模块均由电容单元CU和均压单元VBU构成；

悬浮模块SM_x对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，其中P_x1、P_x2构成输入端口，P_x3、P_x4构成输出端口，其中x＝1,2,……,m；

m个悬浮模块的输入端口串联，连接至输入侧或输出侧，且m个悬浮模块的输出端口并联，连接至输出侧或输入侧；

所述变换器中，m个悬浮模块的输出端口并联后，能够并联在某个悬浮模块的输入端口上，此时该悬浮模块移除均压单元VBU，对外仅引出输入端口；

所述变换器中，电容单元CU由支撑电容C和开关半桥构成，开关半桥由上开关K₁和下开关K₂构成，开关半桥的上开关K₁桥臂外侧引出端子X_c1，桥臂中点引出端子X_c2，下开关K₂桥臂外侧引出端子X_c3；

均压单元VBU由第一开关半桥、第二开关半桥和谐振支路构成，第一开关半桥由上开关S₁和下开关S₂构成，第二开关半桥由上开关S₃和下开关S₄构成，谐振支路由谐振电容C_r和谐振电感L_r串联而成，并连接在两个开关半桥的桥臂中点之间；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4，构成第一类均压单元VBU；

第一开关半桥的上开关S₁桥臂外侧引出端子X_v1，第一开关半桥的下开关S₂桥臂外侧引出端子X_v3，第二开关半桥的上开关S₃桥臂外侧引出端子X_v2，第二开关半桥的下开关S₄桥臂外侧引出端子X_v4，构成第二类均压单元VBU。

2.如权利要求1所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器中，根据电容单元CU、均压单元VBU和悬浮模块端子连接的不同，悬浮模块具体包含四种基本类型：

一类悬浮模块SM，一类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1相连，电容单元CU的端子X_c2与一类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、一类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与一类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与一类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

二类悬浮模块SM，二类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、二类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与二类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2相连，均压单元VBU的端子X_v3与二类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU的端子X_v4与二类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

三类悬浮模块SM，三类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1悬空，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v1、三类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c3与均压单元VBU的端子X_v2、三类悬浮模块SM的端子P_x2相连，均压单元VBU的端子X_v3与三类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU端子X_v4与三类悬浮模块SM的端子P_x4相连；

四类悬浮模块SM，四类悬浮模块SM对外引出P_x1、P_x2、P_x3和P_x4四个端子，电容单元CU的端子X_c1与均压单元VBU的端子X_v1、四类悬浮模块SM的端子P_x1相连，电容单元CU的端子X_c2与均压单元VBU的端子X_v2、四类悬浮模块SM的端子P_x2相连，电容单元CU的端子X_c3悬空，均压单元VBU的端子X_v3与四类悬浮模块SM的端子P_x3相连，均压单元VBU端子X_v4与四类悬浮模块SM的端子P_x4相连。

3.如权利要求2所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，其特征在于：悬浮模块包含正常工作状态和冗余状态两种典型状态；

一类悬浮模块SM和三类悬浮模块SM，正常工作状态下，电容单元CU中的上开关K₁闭合，下开关K₂断开，冗余状态下，电容单元CU中的上开关K₁断开，下开关K₂闭合；

二类悬浮模块SM和四类悬浮模块SM，正常工作状态下，电容单元CU中的上开关K₁断开，下开关K₂闭合，冗余状态下，电容单元CU中的上开关K₁闭合，下开关K₂断开。

4.如权利要求2所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，其特征在于：一类悬浮模块SM、二类悬浮模块SM、三类悬浮模块SM和四类悬浮模块SM均是基于单个支撑电容的两电平悬浮模块，各类两电平悬浮模块之间能够任意组合，构成三电平或多电平悬浮模块；

基于三电平或多电平悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器相对于基于两电平悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，模块数量降低，且采用叠层母排的结构简化模块内端子连接，进而减小寄生参数带来的损耗。

5.如权利要求1-4任一项权利要求所述的基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器，其特征在于，所述变换器中，其控制策略为：

基于悬浮模块的多电平均压型DC-DC变换器中，一部分悬浮模块投入运行，处于正常工作状态，另外一部分悬浮模块未投入运行，处于冗余状态，这些悬浮模块为冗余模块；

当检测到投入运行的一个或数个悬浮模块中发生故障，这些故障模块由正常工作状态切换至冗余状态，同时同等数量的冗余模块由冗余状态切换至正常工作状态；

当检测到故障模块中故障已清除，故障模块再次投入运行，同时在故障过程中投入正常工作状态的冗余模块切换回冗余状态，直至下次故障时再投入运行；

当检测到高压直流侧发生短路故障时，所有悬浮模块均切换至冗余状态，此时所有支撑电容均被旁路，进而阻断故障电流对电容放电的通路，避免烧毁整套装置。

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