CN116526816A - 一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器 - Google Patents

一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器 Download PDF

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张征凯
赵成
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冯玉
王明
孙立成
吴凯
史亮
娄伟
胡若男
左宇翔
陈振宁
刘蔚
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Abstract

本发明公开了一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，包括谐振电容Crp、原边H桥电路、谐振电感Lr、变压器、副边H桥电路以及谐振电容Crs，电源、谐振电容Crp及原边H桥电路依次并联，谐振电感Lr连接在原边H桥电路与变压器的原边之间，变压器的副边与副边H桥电路连接，副边H桥电路与谐振电容Crs并联；通过设计谐振电感Lr满足实现故障限流，其中，Ishort_circuit_max为高频变换器在所设计的输入侧直流电压vi和开关频率fs下能安全运行的最大电流，fs为开关频率；本发明的优点在于：本发明结构简单，不需要增加额外的器件，设备损耗小，不会因为控制策略响应不及时而无法限流，具备自动限流能力。

Description

一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器
技术领域
本发明涉及电力电子变压器领域，更具体涉及一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器。
背景技术
采用电力电子变换器和高频变压器相结合的电力电子变压器除了实现工频变压器电压变换、电气隔离和能量传输等基本功能，还有助于实现无功补偿、谐波治理、电网互联、新能源并网、直流输配电组网等功能，是构建广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控的新型电力系统的关键装备。
大功率高频隔离型DC-DC变换器是电力电子变压器的核心环节，其运行特性直接影响到系统效率和可靠性。现有适用于高压大功率场合的高频隔离型DC-DC变换器主要有移相型双有源桥DC-DC变换器和谐振型双有源桥DC-DC变换器两种。移相型双有源桥DC-DC变换器可主动控制功率，但是关断电流大，效率难以提高。谐振型双有源桥DC-DC变换器通常采用开环控制，功率受负荷决定，但具有零电流软开关的优点，特别适用于需要高效电压变换和电气隔离的场合。
然而，由于谐振环节阻抗极低(Z＝R+ωrLr-1/ωrCr≈0)，输出短路故障会导致极大的短路故障电流，威胁变换器安全运行，是谐振型双有源桥DC-DC变换器面临的一大挑战。虽然封锁功率半导体器件驱动可以保护变换器，但是在许多场合需要变换器具有故障下持续运行的能力。例如，对于短时性故障，变换器需要具有故障下的短时穿越能力来最大程度降低对系统传输功率的损失。对于永久性故障，需要变换器为故障检测和定位提供电流。因此，如何保证短路故障限流能力是谐振型双有源桥DC-DC变换器的亟待解决的问题。
现有适用于谐振型型双有源桥DC-DC变换器的故障电流限制方法可分为两类，即软件控制方法和硬件电路方法。对于软件控制方法，文献《B.Yang,F.C.Lee andM.Concannon,"Over current protection methods for LLC resonant converter,"Eighteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition,2003.APEC'03.,Miami Beach,FL,USA,2003,pp.605-609vol.2.》提出增加开关频率提高谐振环节阻抗限制电流的方法，但是带来了极大的关断损耗，其还提出采用脉宽调制的方法限制故障电流，但是无法实现零电压开通，开通损耗大。中国专利公开号CN106655784A提出全桥LLC变换器短路电流控制电路和控制方法，可实现零电压开通同时限制谐振电流峰值。但是上述方法均需要准确的故障检测和控制策略及时响应，否则仍然会带来过流。
对于硬件电路方法，文献《B.Yang,“Topology investigation for front endDC-DC power conversion for distributed power system,”Ph.D.thesis,VirginiaPolytechnic Institute and Stage University,VA,USA,2003.》提出在谐振电容两端并联二极管的方法，但是这种方法增加了额外的二极管，且限流能力受限于输入输出电压。文献《X.Xie,J.Zhang,C.Zhao,Z.Zhao and Z.Qian,"Analysis and Optimization of LLCResonant Converter With a Novel Over-Current Protection Circuit,"in IEEETransactions on Power Electronics,vol.22,no.2,pp.435-443,March 2007.》提出增加额外变压器来箝位谐振电容电压至输出电压的方法，但是增加了额外的变压器。文献《D.Fu,“Topology investigation and system optimization of resonantconverters,”Ph.D.dissertation,Dept.Electr.Eng.,Virginia Tech,Blacksburg,VA,USA,2010.》提出将陷波滤波器引入谐振腔的方法，但是多谐振元件设计复杂，且增加了通态损耗。
综上，谐振型双有源桥DC-DC变换器不具备直流输出短路故障自动限流的能力，为了限制短路故障电流，现有软件技术需要准确的故障检测和控制策略及时响应，否则仍然会带来过流，现有硬件技术需要增加额外的元件、设计复杂且增加通态损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是谐振型双有源桥DC-DC变换器不具备直流输出短路故障自动限流的能力，为了限制短路故障电流，现有软件技术需要准确的故障检测和控制策略及时响应，否则仍然会带来过流，现有硬件技术需要增加额外的元件、设计复杂且增加通态损耗。
本发明提出一种硬件改进方法，通过以下技术手段解决上述技术问题：一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，包括谐振电容Crp、原边H桥电路、谐振电感Lr、变压器、副边H桥电路以及谐振电容Crs，电源、谐振电容Crp及原边H桥电路依次并联，谐振电感Lr连接在原边H桥电路与变压器的原边之间，变压器的副边与副边H桥电路连接，副边H桥电路与谐振电容Crs并联；通过设计谐振电感Lr满足实现故障限流，其中，Ishort_circuit_max为高频变换器在所设计的输入侧直流电压vi和开关频率fs下能安全运行的最大电流，fs为开关频率。
有益效果：本发明提出一种硬件改进方法，相比于现有硬件方法结构简单，不需要增加额外的元件，设备损耗小，巧妙利用谐振频率自动改变并设计谐振电感实现在输出短路故障情况下自动限流。硬件方法不需要增加额外的控制策略，从而不存在现有软件技术的缺点。
进一步地，正常工况下，所述原边H桥电路和副边H桥电路中的各功率半导体开关器件均工作在50％占空比开环控制下，谐振电容Crp、谐振电容Crs和谐振电感Lr组成谐振回路，则谐振频率其中，n为变压器原副边变比，开关频率fs控制为谐振频率fr的一半，即/>
更进一步地，输出短路故障工况下，原边H桥电路和副边H桥电路中的各功率半导体开关器件仍然工作在开关频率为fs的50％占空比开环控制下，谐振回路谐振频率自动降低为谐振频率fr_short_circuit且
更进一步地，输出短路故障下，根据短路下谐振频率fr_short_circuit推导得到短路故障电流峰值被自动限制为Ishort_circuit，即其中，vi为输入侧直流电压，通过设计谐振电感Lr满足/>即可实现故障限流。
进一步地，所述谐振电容Crp并联在电源两端，原边H桥电路的直流侧与谐振电容Crp并联连接，原边H桥电路的交流侧与变压器的原边连接，变压器的副边与副边H桥电路的直流侧连接，副边H桥电路的交流侧与谐振电容Crs并联。
更进一步地，所述原边H桥电路的交流侧与变压器的原边连接，变压器的副边与副边H桥电路的直流侧连接，包括：谐振电感Lr的一端连接在原边H桥电路的一个桥臂上且另一端与变压器的原边的同名端连接，变压器的原边的异名端与原边H桥电路的另一个桥臂连接，变压器的副边分别与副边H桥电路的两个桥臂连接。
更进一步地，具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器还包括滤波电感Lfi，所述滤波电感Lfi一端连接电源的正端，滤波电感Lfi另一端与谐振电容Crp的一端连接，谐振电容Crp的另一端与电源的负端连接。
更进一步地，具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器还包括滤波电感Lfo以及滤波电容Cfo，所述谐振电容Crs的一端通过滤波电感Lfo与滤波电容Cfo的一端连接，滤波电容Cfo的另一端以及谐振电容Crs的另一端连与副边H桥电路连接并接地。
更进一步地，所述原边H桥电路包括功率半导体开关器件S1至功率半导体开关器件S4，功率半导体开关器件S1的漏极和功率半导体开关器件S3的漏极连接并与谐振电容Crp的一端连接，功率半导体开关器件S2的源极和功率半导体开关器件S4的源极连接并与谐振电容Crp的另一端连接，功率半导体开关器件S1的源极和功率半导体开关器件S2的漏极以及谐振电感Lr一端连接，功率半导体开关器件S3的源极和功率半导体开关器件S4的漏极以及的变压器的原边的异名端连接。
更进一步地，所述副边H桥电路包括功率半导体开关器件S5至功率半导体开关器件S8，功率半导体开关器件S5的漏极和功率半导体开关器件S7的漏极连接并与谐振电容Crs的一端连接，功率半导体开关器件S6的源极和功率半导体开关器件S8的源极连接并与谐振电容Crs的另一端连接，功率半导体开关器件S5的源极和功率半导体开关器件S6的漏极以及变压器的副边的同名端连接，功率半导体开关器件S7的源极和功率半导体开关器件S8的漏极以及的变压器的副边的异名端连接。
本发明的优点在于：本发明提出一种硬件改进方法，相比于现有硬件方法结构简单，不需要增加额外的元件，设备损耗小，巧妙利用谐振频率自动改变并设计谐振电感实现在输出短路故障情况下自动限流。硬件方法不需要增加额外的控制策略，从而不存在现有软件技术的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器的原理图；
图2为本发明实施例所公开的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器在正常工况下高频开关正半周期电流路径和波形示意图，其中，图2(a)是正常工况下高频开关正半周期电流路径，图2(b)是正常工况下高频开关正半周期波形示意图；
图3为本发明实施例所公开的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器在输出短路故障下高频开关正半周期电流路径和波形示意图，其中，图3(a)是输出短路故障下高频开关正半周期电流路径，图3(b)是输出短路故障下高频开关正半周期波形示意图；
图4为本发明实施例所公开的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器输出短路故障动态过程实验波形。
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，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作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。
如图1所示，一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，包括滤波电感Lfi、谐振电容Crp、原边H桥电路、谐振电感Lr、变压器、副边H桥电路、谐振电容Crs、滤波电感Lfo以及滤波电容Cfo。所述变压器为高频变压器。所述滤波电感Lfi一端连接电源的正端，滤波电感Lfi另一端与谐振电容Crp的一端连接，谐振电容Crp的另一端与电源的负端连接。图1中，vi为输入直流电源。
所述原边H桥电路包括功率半导体开关器件S1至功率半导体开关器件S4，功率半导体开关器件S1的漏极和功率半导体开关器件S3的漏极连接并与谐振电容Crp的一端连接，功率半导体开关器件S2的源极和功率半导体开关器件S4的源极连接并与谐振电容Crp的另一端连接，功率半导体开关器件S1的源极和功率半导体开关器件S2的漏极以及谐振电感Lr一端连接，所述谐振电感Lr的另一端与变压器的原边的同名端连接。功率半导体开关器件S3的源极和功率半导体开关器件S4的漏极以及的变压器的原边的异名端连接。谐振电容Crp上的电压为交流。
所述副边H桥电路包括功率半导体开关器件S5至功率半导体开关器件S8，功率半导体开关器件S5的漏极和功率半导体开关器件S7的漏极连接并与谐振电容Crs的一端连接，功率半导体开关器件S6的源极和功率半导体开关器件S8的源极连接并与谐振电容Crs的另一端连接，功率半导体开关器件S5的源极和功率半导体开关器件S6的漏极以及变压器的副边的同名端连接，功率半导体开关器件S7的源极和功率半导体开关器件S8的漏极以及的变压器的副边的异名端连接。所述谐振电容Crs的一端通过滤波电感Lfo与滤波电容Cfo的一端连接，滤波电容Cfo的另一端以及谐振电容Crs的另一端连与副边H桥电路连接并接地。滤波电容Cfo的一端作为输出电压vo的正极，滤波电容Cfo的另一端作为输出电压vo的负极。输出电压vo为直流。谐振电容Crs上的电压为交流。
正常工况下高频开关正半周期电流路径和波形示意图如图2所示，图中灰度显示的线条和器件是没有电流通过的。功率半导体开关器件S1-S8工作在50％占空比开环控制下。谐振回路包括谐振电容Crp、Crs和谐振电感Lr，因此谐振频率fr表达式为：
其中，n为高频变压器原副边变比。
根据零电流软开关条件推导可得，开关频率fs控制为谐振频率fr的一半，即：
输出短路故障下高频开关正半周期电流路径和波形示意图如图3所示。图中灰度显示的线条和器件是没有电流通过的。功率半导体开关器件S1-S8仍然工作在开关频率为fs的50％占空比开环控制下，双有源桥DC-DC变换器副边H桥电路由于二极管不再承受反压截止而是会导通，因此副边直流侧谐振电容Crs被副边H桥电路自动旁路，谐振回路谐振频率自动降低为fr short circuit，即：
所以，输出短路故障下，谐振频率只由输入侧直流电容Crp和谐振电感Lr决定。
根据短路下谐振频率fr short circuit可推导得到短路故障电流峰值被自动限制为Ishort_circuit，即：
其中，vi为输入侧直流电压。由上式可知，无需改变开关频率fs，谐振回路阻抗自动增加为谐振电感Lr，通过设计谐振电感Lr满足下式即可实现故障限流。
其中，Ishort_circuit_max为变换器在所设计工作电压vi和开关频率fs下能安全运行的最大电流。
应用本发明搭建的300Vdc/200Vdc具有输出短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器实验参数如下：
直流输入电压vi：300V
直流输出电压vo：200V
变换器额定功率P：16kW
所用功率半导体器件S1-S8：1200V/300A SiC-MOSFET
原边直流侧谐振电容Crp：3μF
副边直流侧谐振电容Crs：1.8μF
谐振电感Lr：33μH
高频变压器变比n：3：2
直流输入侧滤波电感Lfi：100μH
直流输出侧滤波电感Lfo：100μH
直流输出侧滤波电容Cfo：10μF
根据式(1)计算得到正常工况下谐振频率fr＝36kHz，根据式(2)计算得到正常工况下实现零电流软开关的开关频率fs＝18kHz，根据式(3)计算得到输出短路工况下谐振频率fr_short_circuit＝16kHz。根据功率半导体器件设计DC-DC变换器在工作电压vi＝300V、开关频率fs＝18kHz下能安全运行的最大电流Ishort_circuit_max＝200A，根据式(5)计算得谐振电感Lr应满足大于21μH，所选谐振电感Lr＝33μH满足要求。
图4为本发明输出短路故障动态过程实验波形。图中，vo为本发明具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器直流输出电压，vp为本发明具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器原边高频电压，ir为本发明具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器原边高频电流，ii为本发明具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器直流输入电流。从实验结果可以看出，正常工况下可实现零电流软开关。当发生输出短路故障后，开关频率无需改变，谐振回路谐振频率自动发生改变，高频电流ir的幅值经过动态过程后自动被限制在120A，满足设计要求。实验结果表明所提具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器在正常工况下具有零电流软开关特性，在输出短路故障后具有自动限流的功能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，包括谐振电容Crp、原边H桥电路、谐振电感Lr、变压器、副边H桥电路以及谐振电容Crs，电源、谐振电容Crp及原边H桥电路依次并联，谐振电感Lr连接在原边H桥电路与变压器的原边之间，变压器的副边与副边H桥电路连接，副边H桥电路与谐振电容Crs并联；通过设计谐振电感Lr满足实现故障限流，其中，Ishort_circuit_max为高频变换器在所设计的输入侧直流电压vi和开关频率fs下能安全运行的最大电流，fs为开关频率。
2.根据权利要求1所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，正常工况下，所述原边H桥电路和副边H桥电路中的各功率半导体开关器件均工作在50％占空比开环控制下，谐振电容Crp、谐振电容Crs和谐振电感Lr组成谐振回路，则谐振频率其中，n为变压器原副边变比，开关频率fs控制为谐振频率fr的一半，即/>
3.根据权利要求2所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，输出短路故障工况下，原边H桥电路和副边H桥电路中的各功率半导体开关器件仍然工作在开关频率为fs的50％占空比开环控制下，谐振回路谐振频率自动降低为谐振频率fr_short_circuit且
4.根据权利要求3所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，输出短路故障下，根据短路下谐振频率fr_short_circuit推导得到短路故障电流峰值被自动限制为Ishort_circuit，即其中，vi为输入侧直流电压，通过设计谐振电感Lr满足/>即可实现故障限流。
5.根据权利要求1所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，所述谐振电容Crp并联在电源两端，原边H桥电路的直流侧与谐振电容Crp并联连接，原边H桥电路的交流侧与变压器的原边连接，变压器的副边与副边H桥电路的直流侧连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，所述，原边H桥电路的交流侧与变压器的原边连接，变压器的副边与副边H桥电路的直流侧连接，包括：
谐振电感Lr的一端连接在原边H桥电路的一个桥臂上且另一端与变压器的原边的同名端连接，变压器的原边的异名端与原边H桥电路的另一个桥臂连接，变压器的副边分别与副边H桥电路的两个桥臂连接。
7.根据权利要求6所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，还包括滤波电感Lfi，所述滤波电感Lfi一端连接电源的正端，滤波电感Lfi另一端与谐振电容Crp的一端连接，谐振电容Crp的另一端与电源的负端连接。
8.根据权利要求6所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，还包括滤波电感Lfo以及滤波电容Cfo，所述谐振电容Crs的一端通过滤波电感Lfo与滤波电容Cfo的一端连接，滤波电容Cfo的另一端以及谐振电容Crs的另一端连与副边H桥电路连接并接地。
9.根据权利要求6所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，所述原边H桥电路包括功率半导体开关器件S1至功率半导体开关器件S4，功率半导体开关器件S1的漏极和功率半导体开关器件S3的漏极连接并与谐振电容Crp的一端连接，功率半导体开关器件S2的源极和功率半导体开关器件S4的源极连接并与谐振电容Crp的另一端连接，功率半导体开关器件S1的源极和功率半导体开关器件S2的漏极以及谐振电感Lr一端连接，功率半导体开关器件S3的源极和功率半导体开关器件S4的漏极以及的变压器的原边的异名端连接。
10.根据权利要求6所述的一种具有短路故障自动限流能力的谐振型双有源桥变换器，其特征在于，所述副边H桥电路包括功率半导体开关器件S5至功率半导体开关器件S8，功率半导体开关器件S5的漏极和功率半导体开关器件S7的漏极连接并与谐振电容Crs的一端连接，功率半导体开关器件S6的源极和功率半导体开关器件S8的源极连接并与谐振电容Crs的另一端连接，功率半导体开关器件S5的源极和功率半导体开关器件S6的漏极以及变压器的副边的同名端连接，功率半导体开关器件S7的源极和功率半导体开关器件S8的漏极以及的变压器的副边的异名端连接。
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