CN116633186A - 电力电子变压器功率模块拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电力电子变压器功率模块拓扑结构，包含高压接口电路和隔离DCDC电路；高压接口电路采用基于二极管钳位的三电平拓扑，隔离DCDC电路采用基于载波移相的拓扑结构。本发明的拓扑结构可有效提升电力电子变压器的电压等级，降低功率模块数量，支撑电力电子变压器潮流双向流动，同时可支撑装备低成本、高频化以及轻量化，推动电力电子变压器在配电网系统中的应用。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及电力电子变压器功率模块拓扑结构。
背景技术
电力电子变压器不同于传统工频变换的变压器，通过电力电子技术构建高频变换路径，通过高频变压器实现端口之间的隔离，再通过电力电子技术实现直流或者交流的变换。电力电子变压器受益于电力电子变换的灵活性，可高效构建直流端口，进而满足直流化的应用需求；随着新型半导体器件以及新材料的引入，可以不断提升变换效率，并通过融合传感技术、数字控制技术可实现装置的智能化。电力电子变压器本身基于高频变换，可替代传统工频变压器，有利于装置本身重量和体积的优化；由此可见，电力电子变压器满足未来发展趋势，有利于推动新型电力系统的发展。
电力电子变压器的实现方式基于模块化级联技术，通过功率模块在高压侧串联，低压侧并联可实现高低压侧之间的能量传递，满足高压侧直接接入同时兼容低压侧端口电压。由此可见，功率模块需要满足功率变换、端口隔离等重要任务，功率模块作为电力电子变压器最重要的变换单元，直接影响着电力电子变压器的功能和性能。中国专利（申请号：202111368837.8）公开了一种电力电子变压器拓扑结构，通过全桥电路实现高压交流电网的接入，在全桥电路的后级，利用DCDC实现高压交流与低压直流端口之间的隔离。该拓扑结构由两级组成，每一级的任务清晰，无电路耦合等问题，可应用至配电网、新能源发电等场景。但是该拓扑整体变换基于两电平技术，以目前工业界主流的1200V电压等级的半导体器件为例，仅能实现800V左右的母线电压，为了满足10kV等级中压配电网的直接接入，需要大量的功率模块，进而影响着电力电子变压器成本、体积、重量等指标。中国专利（申请号：202010980785.9）公开了用于二极管箝位混合三电平DAB变流器的控制方法及装置，通过二极管钳位用相对较低耐压的器件实现较高直流母线电压，可有效降低模块数，但是基于二极管钳位的拓扑结构存在较为复杂的换流路径，进而导致器件开关通关过程中较大的损耗以及电压电流应力，制约了功率模块隔离DCDC电路的高频化；中国专利（申请号：202011319149.8）公开了一种适用于中高压场合的多电平变换器拓扑及控制方法，基于二极管钳位的多电平电路，通过电路之间的串联，实现了五电平的隔离DCDC电路，该拓扑结构虽然理论上可节省功率模块数，但是仅适用于直流形式电网，针对10kV交流配电网，存在着逆变器环节变流难以实现的困难，同时五电平拓扑本身还面临着均流困难等问题；中国专利（申请号：202010135950.0）公开了一种能源互联网用紧凑型电力电子变压器及其控制方法，采用串联半桥的技术，在隔离型DCDC的高压侧，通过串联形式连接的半桥电路实现电能变换，能够降低功率模块数，同时在高压接口电路中，采用维也纳整流的拓扑结构实现功率从高压侧传递至低压侧，但是该方案仅能实现功率的单相传递，同时拓扑仅支持谐振式的电能变换，无源器件的参数会对电路的稳定运行带来巨大影响。
发明内容
本发明的目的是提供电力电子变压器功率模块拓扑结构，解决了现有拓扑结构中高频化困难、潮流双向难度高的问题。
本发明所采用的技术方案是，电力电子变压器功率模块拓扑结构，包含高压接口电路和隔离DCDC电路；高压接口电路采用基于二极管钳位的三电平拓扑，隔离DCDC电路采用基于载波移相的拓扑结构。
本发明的特点还在于，
高压接口电路包含四个全控半导体器件和两个串联二极管，四个全控半导体器件串联连接直流母线，两个二极管串联分别连接第一和第二个全控半导体器件的连接点以及第三和第四个全控半导体器件的连接点，两个串联二极管的连接点连接至直流母线电容的中点。
隔离DCDC电路包含依次相连的高压侧桥臂、高频回路以及低压侧桥臂。
高压侧桥臂，采用串联半桥的拓扑形式，包含上半桥臂和下半桥臂，上半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，下半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，上半桥臂和下半桥臂串联连接，在直流母线侧电容串联形成直流母线，上半桥臂的输出和下半桥臂的输出构成高压侧桥臂的整体输出。
高频回路包含隔直电容、高频变压器以及谐振电感，隔直电容一端与上半桥臂的两个串联全控器件连接，隔直电容另一端连接高频变压器，谐振电感一端与下半桥臂的两个串联全控器件连接，另一端与高频变压器连接。
低压侧桥臂采用全桥式的拓扑结构，包括两组半桥电路，两组半桥电路并联至低压直流母线侧，两组半桥电路的输出分别连接至高频变压器的输出侧。
本发明的有益效果是：本发明的电力电子变压器功率模块拓扑结构，可有效提升电力电子变压器的电压等级，降低功率模块数量，支撑电力电子变压器潮流双向流动，同时可支撑装备低成本、高频化以及轻量化，推动电力电子变压器在配电网系统中的应用。
附图说明
图1是传统基于两电平变换的电力电子变压器的拓扑结构
图2是本发明的电力电子变压器功率模块拓扑结构的示意图；
图3 是本发明高压接口电路调制策略；
图4是本发明隔离DCDC电路调制策略（一）；
图5是本发明隔离DCDC电路调制策略（二）；
图6是本发明隔离DCDC电路的稳态运行波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，为传统基于两电平的电力电子变压器功率模块，功率模块包含高压接口电路以及隔离DCDC电路。高压接口电路连接10kV及以上的配电网系统，通过模块之间串联实现对外连接，其中高压接口电路常采用全桥的电路拓扑结构。隔离DCDC电路实现模块高压侧与低压侧的电气隔离以及功率传递。由于电力电子变压器基于高频隔离电路，因此隔离DCDC电路通过开关网络将直流电能转换为高频形式电能，在高频路径中，由于开关网络在寄生参数、开关时序上的不一致性，往往会连接隔直电容，同时开关网络中需要增加一定的电感以抑制过大的电流，可通过外部连接谐振电感或利用高频变压器中的漏感实现。在开关网络中，由于输出电压仅包含正负母线电压，电平数仅有两个，该技术路线为两电平技术路线。在功率模块内部，器件的耐压水平限制了直流母线的电压水平，因此传统方案下需要更多的功率模块数量，才能保证高压母线的连接。
实施例2
图2为本发明的电力电子变压器功率模块拓扑结构，该拓扑结构包含高压接口电路和隔离DCDC电路；
针对高压接口电路，为了支撑更高的直流电压，高压接口电路采用基于二极管钳位的三电平拓扑，由于电力电子变压器采用级联接入，输出端口为两相，可以同时兼容中压交流以及中压直流的接入。针对电力电子变压器潮流双向流动的应用需求，该拓扑结构能够有效工作在逆变以及整流模式，通过调制策略的实施可以对输出功率进行任意调节。
三电平拓扑结构包含二极管以及全控式半导体器件，其中全控半导体器件可以采用硅基的IGBT、MOSFET，也可以采用基于碳化硅或者氮化镓材料的IGBT、MOSFET。电路分为两个桥臂以保证两相系统的输出，四个全控半导体器件串联连接功率模块直流母线，两个二极管串联分别连接第一和第二全控半导体的连接点以及第三和第四全控半导体的连接点，两个串联二极管的连接点连接至母线电容的中点，以实现二极管的钳位。通过该电路功率器件的耐压等级均以二分之一直流母线电压为参考，可以在采用工业界常见耐压等级器件的前提下，提升模块直流母线电压等级。
隔离DCDC电路包含高压侧桥臂、高频回路以及低压侧桥臂。
高压侧桥臂，采用串联半桥的拓扑形式，其中上半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，下半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，上半桥臂和下半桥臂串联连接，在直流母线侧电容串联形成直流母线，在桥臂输出侧，上半桥臂的输出和下半桥臂的输出构成高压侧桥臂的整体输出。
由于采用了半桥形式串联，每个器件依据二分之一母线电压作为耐压的参考，可以在采用工业界常见耐压等级器件的前提下，提升模块直流母线电压等级。同时功率器件的换流回路仅包含两个器件，整体换流回路非常简单，换流回路中寄身电感较小，因此开通关断过程中的损耗相对于传统钳位式拓扑结构更低，进而可支撑更高的开关频率，进而促进装置的小型化、轻量化和高效化。
高频回路包含隔直电容、高频变压器以及谐振电感，隔直电容一端与上半桥臂的两个串联全控器件连接，隔直电容另一端连接高频变压器，谐振电感一端与下半桥臂的两个串联全控器件连接，另一端与高频变压器连接；
隔直电容用以隔离掉高压侧桥臂输出的直流分量，进而满足交流量在高频隔离变压器中的传输，隔直电容可选取薄膜电容或者陶瓷电容等；高频变压器用以实现交流的能量传递以及电气隔离，有益于电路中隔离DCDC电路运行在高频状态，隔离变压器相对于传统工频变压器拥有更小的体积、重量，进而促进电力电子变压器的装备的轻量化、小型化；谐振电感用以抑制高频回路中电流的斜坡，在实际应用中可以单独配置电感也可以复用变压器内部的漏感。
低压侧桥臂采用全桥式的拓扑结构，包括两组半桥电路，两组半桥电路并联至低压直流母线侧，两组半桥电路的输出分别连接至高频变压器的输出侧。由于低压侧直接常见的负载或者分布式发电系统，电压等级往往在1500V以下，可以采用工业界常见耐压等级的半导体器件。
由于电力电子变压器需要实现双向的功率传递，低压侧也采用全控型半导体器件，可以采用硅基的IGBT、MOSFET，也可以采用基于碳化硅或者氮化镓材料的IGBT、MOSFET。
隔离DCDC电路的运行，采用高低压侧桥臂移相式的运行模式。移相式的运行模式下，高低压侧通过改变移相角实现功率的传递，可保证功率的双相潮流以及功率大小的调节。相对于部分文献提出的频率调节型的谐振式拓扑结构，隔离DCDC拓扑可以实现更加灵活的功率传递。谐振式拓扑结构需要依据高频回路中的无源元件参数值，确定谐振频率，整体误差较大，同时频率调节会让电路工作在不同模式，难以实现高效率运行。本发明的拓扑通过移向方式实现电路控制，不依赖高频回路中电感以及电容的参数值，同时频率始终工作在固定频率，不会对电路设计以及变压器设计带来额外的负担。
实施例3
图3 是本发明高压接口电路调制策略，用以实现高压接口电路中功率器件的控制，该电路能够实现直流以及交流电路的调制，以交流系统调制为例进行介绍。
具体的，调制信号依据电路左右桥臂下发相应的调制信号，为了实现更高的工作电压，左右桥臂之间的调制信号相互取反，形成调制信号1和调制信号2。调制信号1和调制信号2分别与载波信号进行对比，载波信号包含上半载波信号1以及下半载波信号2。其中载波信号1调制半桥臂器件的一三管，分别对应图中左半桥臂的S1和S3以及右半桥臂的S5和S6，下面论述中以左半桥臂为例进行论述。载波信号1与调制信号进行比较后生成相应的信号波以及信号波取反后的波形，分别提供给S1和S3。载波信号2与调制信号进行比较生成相应的信号波以及信号波取反后的波形，分别提供给S2和S4。对于右半桥臂，相应的调制方法相同。
通过以上调制策略，可以实现二极管钳位电路的控制，适配交流系统以及直流系统。更为广泛的，调制信号1，2以及载波信号1，2可以进行相位的调节；载波信号可采用其他形式的波形如锯齿波、梯形波等。
图4及图5是本发明隔离DCDC电路调制策略，采用高低压侧相互移向的调制策略，可在高压侧载波不变的情况下对低压侧载波进行移相，也可以在低压侧载波不变的情况下对高压侧载波进行移相。下面以高压侧载波不变，低压侧载波进行移向为例进行介绍。
针对高压侧的电路调制，采用载波信号与调制信号进行比较生成Q1-Q4的PWM信号，其中调制信号幅值为载波信号幅值的一半，进而保证PWM信号为50%占空比，比较结果中Q1和Q4信号相同，Q2和Q3信号相同且与Q1和Q4信号相反。
针对低压侧电路调制，将载波信号相对于高压侧进行移相，如果功率需要从高压侧传递至低压侧，则低压侧相位相对高压侧滞后，如果功率需要从低压侧传递至高压侧，则低压侧相位相对高压侧超前。低压侧载波信号同样与调制信号进行比较生成50%占空比PWM信号，其中Q5和Q8的信号相同，Q6和Q7的信号相同且与Q5和Q8的信号相反。
图6为隔离DCDC电路的稳态运行波形图，工作功率从高压侧传递至低压侧的模式，其中Uab为高压侧桥臂输出电压，Ucd为低压侧桥臂输出电压，Uab整体超前Ucd满足功率的传输需求。IL为高频回路中的电感电流，在Uab与Ucd同相时，IL基本不变，电路实现传输功率，在Uab与Ucd反相时，IL改变逐步实现电流翻转。电流翻转能够促进器件的零电压开通，有益于降低整体损耗。Uc为隔直电容的电压，整体保持在二分之一高压侧母线电压的水平，且随着功率的传输，整体保持不变。
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。
Claims (6)
1.电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，包含高压接口电路和隔离DCDC电路；所述高压接口电路采用基于二极管钳位的三电平拓扑，所述隔离DCDC电路采用基于载波移相的拓扑结构。
2.根据权利要求1所述的电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，所述高压接口电路包含四个全控半导体器件和两个串联二极管，四个所述全控半导体器件串联连接直流母线，两个所述二极管串联分别连接第一和第二个全控半导体器件的连接点以及第三和第四个全控半导体器件的连接点，两个所述串联二极管的连接点连接至直流母线电容的中点。
3.根据权利要求2所述的电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，所述隔离DCDC电路包含依次相连的高压侧桥臂、高频回路以及低压侧桥臂。
4.根据权利要求3所述的电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，所述高压侧桥臂，采用串联半桥的拓扑形式，包含上半桥臂和下半桥臂，所述上半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，所述下半桥臂包含电容以及两个串联全控器件，所述上半桥臂和下半桥臂串联连接，在直流母线侧电容串联形成直流母线，所述上半桥臂的输出和下半桥臂的输出构成高压侧桥臂的整体输出。
5.根据权利要求4所述的电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，所述高频回路包含隔直电容、高频变压器以及谐振电感，所述隔直电容一端与上半桥臂的两个串联全控器件连接，所述隔直电容另一端连接高频变压器，所述谐振电感一端与下半桥臂的两个串联全控器件连接，另一端与高频变压器连接。
6.根据权利要求5所述的电力电子变压器功率模块拓扑结构，其特征在于，所述低压侧桥臂采用全桥式的拓扑结构，包括两组半桥电路，两组所述半桥电路并联至低压直流母线侧，两组所述半桥电路的输出分别连接至高频变压器的输出侧。
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