CN117097183A - 一种交直流变换器及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，公开了一种交直流变换器及系统，交直流变换器包括：交交变换器、隔离变压器及整流器，其中，交交变换器，其第一交流侧输入交流电，其第二交流侧与隔离变压器的原边连接，用于将交流电进行幅值和/或频率变换；整流器，其交流侧与隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压，用于将交流电转换为相同或不同电压等级的直流电。本发明仅用一个变压器实现电气隔离与能量交换，大幅度简化了高频隔离变压器的设计难度，有利于减小变压器体积，提升交直流变换器的功率密度，也简化了交直流变换器的结构，方便变压器绝缘和散热，减少占地与成本。

Description

一种交直流变换器及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种交直流变换器及系统。
背景技术
目前，典型的电力电子变压器拓扑如图1所示，为了实现交直流变换，此拓扑包含四个单元，即工频换流桥、高频H桥、高频变压器、高频H桥。受调制约束，中间直流母线电压需高于网侧电压，工频换流桥输出的电压等级较高，导致第二单元所需的H桥与第三单元中变压器的数量较多，增加了电力电子变压器的设计及接线难度，占地面积大，设备造价高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于解决整流装置体积大、结构复杂的问题，从而提供一种交直流变换器及系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种交直流变换器，包括：交交变换器、隔离变压器及整流器，其中，交交变换器，其第一交流侧输入交流电，其第二交流侧与隔离变压器的原边连接，用于将交流电进行幅值和/或频率变换；整流器，其交流侧与隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压，用于将交流电转换为相同或不同电压等级的直流电。
本发明提供的交直流变换器，仅需一个高频隔离变压器实现电气隔离和能量传输，既简化了高频隔离变压器的设计难度，也简化了交直流变换器的结构，提升交直流变换器的功率密度，减少占地与成本，方便绝缘和散热。
在一种可选的实施方式中，交交变换器包括：降压整流单元、支撑电容及高频逆变单元，其中，降压整流单元，其交流侧与三相交流电路连接，其直流侧与高频逆变单元的直流侧连接；高频逆变单元，其交流侧与隔离变压器的原边连接；支撑电容，其与降压整流单元的直流侧并联连接。
本发明提供的交直流变换器，降压整流单元及高频逆变单元依次对输入的三相交流电进行整流变频，转换为输出电压有效值可控的交流电，其中，支撑电容的电压既可低于三相交流电压，又可高于三相交流电压，不受交流电压约束，可适配多种交流电压等级接入。
在一种可选的实施方式中，降压整流单元为：三相桥式结构，其中，每两个桥臂串联连接构成一相；每个桥臂均由多个全桥整流电路串联连接后与第一电感串联连接构成。
本发明提供的交直流变换器，第一电感用于滤除电路电流中的谐波及抑制环流。
在一种可选的实施方式中，高频逆变单元为：单相桥式结构，其中，每两个桥臂串联连接构成一相；每个桥臂均由多个半桥整流电路串联连接后与第二电感串联连接构成。
在一种可选的实施方式中，整流器包括：单相全桥电路和/或桥式整流电路，其中，单相全桥电路，其交流侧与隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压；桥式整流电路，其交流侧与隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压；当整流器由单相全桥电路及桥式整流电路构成时，桥式整流电路的直流侧与单相全桥电路的直流侧串联或并联连接。
本发明提供的交直流变换器，当整流器采用单相全桥电路时，交直流变换器可以输出较高的直流电压；当整流器采用桥式整流电路时，交直流变换器可以输出较低的直流电压。
在一种可选的实施方式中，单相全桥电路的每相均由两个桥臂串联连接构成一相；每个桥臂均由多个半桥整流电路串联连接后与第三电感串联连接构成。
在一种可选的实施方式中，桥式整流电路为全桥整流结构。
在一种可选的实施方式中，当需要输出大于或等于预设电压等级的直流电压时，通过调节隔离变压器的匝数、支撑电容的电压、高频逆变单元与整流器的调制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出电压大于或等于预设电压。
本发明提供的交直流变换器，通过协同优化变压器匝数比、支撑电容电压、以及高频逆变单元与整流器的调制波的相角差，可以满足不同电压等级输出要求，提升交直流变换器的变换效率，实现功率的双向流动。
在一种可选的实施方式中，通过调节降压整流单元中三相桥式结构的共模电压，灵活调节支撑电容电压。
本发明提供的交直流变换器，通过调节降压整流单元中三相桥式结构的共模电压，使支撑电容两端的电压既可低于三相交流电压，又可高于三相交流电压，不受交流电压约束，可适配多种电压等级接入。
第二方面，本发明提供一种交直流变换系统，包括：多个第一方面提供的交直流变换器，其中，每个交直流变换器的供电端串联或并联连接。
本发明提供的交直流变换系统，可以将多个交直流变换器通过并联或串联组合成交直流变换系统，方便输出更多电压等级的直流电，使交直流变换过程更加灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是相关技术的交直流变换器的一个具体电路的结构图；
图2是根据本发明实施例的交直流变换器的一个具体示例的组成图；
图3是根据本发明实施例的交直流变换器的一个具体电路的结构图；
图4是根据本发明实施例的全桥整流电路的一个具体电路的结构图；
图5是根据本发明实施例的半桥整流电路的一个具体电路的结构图；
图6是根据本发明实施例的隔离变压器的一个具体电路的结构图；
图7是根据本发明实施例的交直流变换器的另一具体电路的结构图；
图8是根据本发明实施例的交直流变换器的另一具体电路的结构图；
图9是根据本发明实施例的半桥整流电路的另一具体电路的结构图；
图10是根据本发明实施例的全桥模块的一个具体电路的结构图；
图11是根据本发明实施例的交直流变换系统的一个具体示例的组成图；
图12是根据本发明实施例的交直流变换系统的另一具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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中的附图，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，本领域技术人员在没有做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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提供一种交直流变换器，如图2所示，包括：交交变换器1、隔离变压器2及整流器3，其中，交交变换器1，其第一交流侧输入交流电，其第二交流侧与隔离变压器2的原边连接，用于将交流电进行幅值和/或频率变换；整流器3，其交流侧与隔离变压器2的副边连接，其直流侧输出直流电压，用于将交流电转换为相同或不同电压等级的直流电。
具体地，如图2所示，交直流变换器内仅包含一个隔离变压器2。交交变换器1对第一交流侧的交流电进行整流变频，转换为输出电压有效值可控的交流电后，高频输入至一个隔离变压器2，隔离变压器2对高频交流电进行隔离并通过副边输出不同电压等级的高频交流电。整流器3将交流电转换为相同或不同电压等级的直流电后输出。
本实施例提供的交直流变换器，仅需一个高频隔离变压器实现电气隔离和能量传输，既简化了高频隔离变压器的设计难度，也简化了交直流变换器的结构，提升交直流变换器的功率密度，减少占地与成本，方便绝缘和散热。
在一些可选的实施方式中，如图3所示，交交变换器包括：降压整流单元11、支撑电容C1及高频逆变单元12，其中，降压整流单元11，其交流侧与三相交流电路连接，其直流侧与高频逆变单元12的直流侧连接；高频逆变单元12，其交流侧与隔离变压器2的原边连接；支撑电容C1，其与降压整流单元11的直流侧并联连接。
具体地，如图3所示，降压整流单元11中的每一相都由两个级联全桥整流电路串联而成，每一相都包含2Nx个全桥整流电路及2个滤波电感L1及L2。滤波电感L1和L2之间连接三相交流电路。两个级联全桥整流电路的中性点N1及N2分别连接着支撑电容C1的正极和负极，支撑电容C1两端的电压为直流电压Vdc1，可通过控制每一相中的级联全桥整流电路的共模电压对Vdc1进行灵活调节。
具体地，如图3所示，高频逆变单元12中由A、B两相组成，每相由上下两个子桥臂串联而成，每个子桥臂均由Ny个半桥整流电路(即SMM1～SMMNy)串联组成，每个半桥整流电路的结构相同；A相上下桥臂之间通过桥臂电感LA1及LA2连接，桥臂电感LA1及LA2的中点与隔离变压器2的原边的一端连接；B相上下桥臂之间通过桥臂电感LB1及LB2连接，桥臂电感LB1及LB2的中点与隔离变压器2的原边的另一端连接。每相的上端与支撑电容C1的正极相连，每相的下端与支撑电容C1的负极相连。通过半桥整流电路开关器件的组合工作来进行半桥整流电路的投入或切除、对半桥整流电路中的电容进行充放电管理。
如图3所示，降压整流单元11为：三相桥式结构，其中，每两个桥臂串联连接构成一相，每个桥臂均由多个全桥整流电路(即SMH1～SMHNx)串联连接后与第一电感(L1或L2)串联连接构成。
示例性地，图4提供了一种降压整流单元中全桥整流电路的结构，由开关器件S1、S2、S3、S4，续流二极管D1、D2、D3、D4与电容Cs组成，vCS为全桥整流电路中的电容电压。
如图3所示，高频逆变单元12为：单相桥式结构，其中，每两个级联全桥整流电路串联连接构成一相，每个级联全桥整流电路均由多个半桥整流电路(即SMM1～SMMNy)串联连接后与第二电感(LA1或LB1或LA2或LB2)串联连接构成。
示例性地，图5提供了一种高频逆变单元中半桥整流电路的结构，由开关器件SC1及SC2、续流二极管DSC1及DSC2与电容CSM组成，vCSM为半桥整流电路中的电容电压。通过开关器件SC1及SC2的组合工作来进行半桥整流电路的投入或切除、对半桥整流电路中的电容进行充放电管理。
示例性地，如图6所示，隔离变压器的原副边均为单一绕组，其中Lk为变压器漏感，vT1为变压器一次侧电压，vT2为变压器二次侧电压。隔离变压器的匝数比为NT：1，可根据实际需求选取匝比数。
需要说明的是，支撑电容C1的数量可以根据使用场景按需设置。
在一些可选的实施方式中，如图7所示，整流器3包括：单相全桥电路31，或如图8所示，整流器3包括：桥式整流电路32。或者，本实施例的整流器包括输出端并联或者串联连接的单相全桥电路31、桥式整流电路32。
如图7所示，单相全桥电路31，其交流侧与隔离变压器2的副边连接，其直流侧输出直流电压Vdc2。单相全桥电路31的每相均由两个桥臂串联连接构成一相；每个桥臂均由多个半桥整流电路(即SM1～SMNZ)串联连接后与第三电感(La1或Lb1或La2或Lb2)串联连接构成。
具体地，如图7所示，单相全桥电路31由a、b两相组成，每相有上下两个子桥臂，每个子桥臂由Nz个半桥整流电路(即SM1～SMNZ)串联组成，每个半桥整流电路的结构相同。a相上下桥臂之间通过桥臂电感La1及La2连接，桥臂电感La1及La2的中点与隔离变压器2的副边的一端连接；b相上下桥臂之间通过桥臂电感Lb1及Lb2连接，桥臂电感Lb1及Lb2与隔离变压器2的副边的另一端连接。每相桥臂的上端与输出电容器Co的正极相连，每相桥臂的下端与输出电容器C0的负极相连。通过调整高频逆变单元12与单相全桥电路31调制波的相角差可调节输出电容器C0两端的电压Vdc2。
示例性地，图9提供了一种半桥整流电路的结构，半桥整流电路由开关器件Sq1及Sq2，续流二极管DSq1及DSq2与电容CSQ组成，vCSQ为半桥整流电路中的电容电压。
如图8所示，桥式整流电路32，其交流侧与隔离变压器2的副边连接，其直流侧输出直流电压；桥式整流电路32为全桥整流结构。当整流器由单相全桥电路31及桥式整流电路32构成时，桥式整流电路32的直流侧与单相全桥电路31的直流侧串联或并联连接。
具体地，如图8所示，桥式整流电路32由全桥模块H1构成；当输出电流较大时可为多个全桥模块H1并联。通过控制高频逆变单元12与桥式整流电路32的调制波的相角差可调节输出电容器C0两端的电压Vdc2。
示例性地，如图10所示，提供了一种全桥模块的结构，Q1～Q4为全桥模块开关器件，Qq1～Qq4为开关器件的反并联二极管，起续流作用。C0为输出电容器，其两端的电压为直流输出电压Vdc2。
在一些可选的实施方式中，如图3所示，当需要输出大于或等于预设电压等级的直流电压时，通过调节隔离变压器2的匝数、支撑电容C1的电压、高频逆变单元12与整流器3的调制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出电压Vdc2大于或等于预设电压。
示例性地，如图7所示，当需要输出电压Vdc2大于或等于预设电压时，可将隔离变压器2的副边与单相全桥电路31连接后，通过调节隔离变压器2的匝数、支撑电容C1的电压、高频逆变单元12与单相全桥电路31的调制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出电压Vdc2大于或等于预设电压。
示例性地，如图8所示，当需要输出电压Vdc2小于或等于预设电压时，可将隔离变压器2的副边与桥式整流电路32连接后，通过调节隔离变压器2的匝数、支撑电容C1的电压、调整高频逆变单元12与桥式整流电路32制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出电压Vdc2小于或等于预设电压。
在一些可选的实施方式中，如图3所示，通过调节降压整流单元11中三相桥式结构的共模电压，灵活调节支撑电容C1的电压Vdc1。
具体地，如图3所示，通过调节降压整流单元11中全桥整流电路(即SMH1～SMHNx)的共模电压，可使支撑电容C1的电压Vdc1不受交流电压约束，灵活输出低于三相交流电路的电压值。
本实施例提供一种交直流变换系统，包括：多个以上实施例及其任一可选实施方式的交直流变换器，其中，如图11所示，每个交直流变换器(即#1～#N)的供电端串联连接，或如图12所示，每个交直流变换器(即#1～#N)的供电端并联连接。
具体地，图11为多个交直流变换器(即#1～#N)供电端串联连接构成的交直流变换系统；图12为多个交直流变换器(即#1～#N)供电端并联连接构成的交直流变换系统；通过调节每个隔离变压器2的匝数、支撑电容电压Vdc1、高频逆变单元12与整流器3的调制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出多种不同电压等级的直流电。
本实施例提供的交直流变换系统，可以将多个交直流变换器通过并联或串联组合成交直流变换系统，方便输出更多电压等级的直流电，使交直流变换过程更加灵活。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种交直流变换器，其特征在于，包括：交交变换器、隔离变压器及整流器，其中，
交交变换器，其第一交流侧输入交流电，其第二交流侧与所述隔离变压器的原边连接，用于将所述交流电进行幅值和/或频率变换；
整流器，其交流侧与所述隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压，用于将所述交流电转换为相同或不同电压等级的直流电。
2.根据权利要求1所述的交直流变换器，其特征在于，所述交交变换器包括：降压整流单元、支撑电容及高频逆变单元，其中，
降压整流单元，其交流侧与三相交流电路连接，其直流侧与所述高频逆变单元的直流侧连接；
高频逆变单元，其交流侧与所述隔离变压器的原边连接；
支撑电容，其与所述降压整流单元的直流侧并联连接。
3.根据权利要求2所述的交直流变换器，其特征在于，所述降压整流单元为：三相桥式结构，其中，
每两个桥臂串联连接构成一相；
每个桥臂均由多个全桥整流电路串联连接后与第一电感串联连接构成。
4.根据权利要求2所述的交直流变换器，其特征在于，所述高频逆变单元为：单相桥式结构，其中，
每两个桥臂串联连接构成一相；
每个桥臂均由多个半桥整流电路串联连接后与第二电感串联连接构成。
5.根据权利要求1所述的交直流变换器，其特征在于，所述整流器包括：单相全桥电路和/或桥式整流电路，其中，
单相全桥电路，其交流侧与所述隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压；
桥式整流电路，其交流侧与所述隔离变压器的副边连接，其直流侧输出直流电压；
当所述整流器由所述单相全桥电路及所述桥式整流电路构成时，所述桥式整流电路的直流侧与所述单相全桥电路的直流侧串联或并联连接。
6.根据权利要求5所述的交直流变换器，其特征在于，
所述单相全桥电路的每相均由两个桥臂串联连接构成一相；
每个桥臂均由多个半桥整流电路串联连接后与第三电感串联连接构成。
7.根据权利要求5所述的交直流变换器，其特征在于，
所述桥式整流电路为全桥整流结构。
8.根据权利要求2所述的交直流变换器，其特征在于，
当需要输出大于或等于预设电压等级的直流电压时，通过调节所述隔离变压器的匝数、所述支撑电容的电压、所述高频逆变单元与所述整流器的调制波的相角差中的任意一个或多个，控制输出电压大于或等于所述预设电压。
9.根据权利要求2所述的交直流变换器，其特征在于，通过调节所述降压整流单元中三相桥式结构的共模电压，灵活调节所述支撑电容电压。
10.一种交直流变换系统，其特征在于，包括：多个权利要求1至8任一项所述的交直流变换器，其中，
每个交直流变换器的供电端串联或并联连接。
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