CN206807300U - 一种可扩展的直流高压功率变换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种可扩展的直流高压功率变换电路，由至少一个功率单元组成，本实用新型的有益效果是：1、不再受限于单个开关器件例如金属氧化物半导体场效应管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT的耐压水平，可以实现输入电压远远高于单个开关器件耐压水平；2、使用多个低内阻常规半导体器件，提高效率，热损耗均匀分布在多个半导体器件上，大大降低了半导体器件热负荷，延长器件寿命，提高设备可靠性；3、工作电压更高可以达到15KV甚至更高。新型直流高压功率变换电路不仅实现了高输入电压、宽输入范围，还适合低输入电压。

Description

一种可扩展的直流高压功率变换电路

技术领域

本实用新型涉及一种功率变换电路，具体是一种可扩展的直流高压功率变换电路。

背景技术

随着电力电子半导体技术的进步及人们对高质量清洁能源的需求，静止同步补偿器STATCOM、柔性直流输电等技术有了极大的发展和应用。静止同步补偿器STATCOM、柔性直流输电等工程项目中会大量使用高电压、大电流的可关断半导体器件绝缘栅双极性晶体管IGBT、IEGT等。每一个可关断半导体器件都有与之配套的控制单元、驱动单元，控制单元、驱动单元额定工作电压为常规的模拟、数字电路供电电压（15V、5V、3.3V等）。可关断半导体器件及其控制单元、驱动单元共同组成功率单元，多个功率单元、主控系统、保护系统、冷却系统、电抗器件等组成多种电力设备。

目前，功率单元的控制单元、驱动单元的供电由一种高电压输入低电压输出的开关电源即高位取能电源提供。一种可扩展的直流高压功率变换电路是高位取能电源主功率部分。

传统高电压输入低电压输出电源的主功率部分主要有三种电路。

1、单管反激电路。受限于现有半导体器件的耐压水平（最高4500V，内阻几十欧姆），电源输入电压最高可到3000V左右。高耐压水平的半导体器件价格昂贵，电源成本高，经济性不好。高耐压水平的半导体器件内阻很大，半导体器件损耗大，效率低，不适合低输入电压使用。电源输出功率较小。

2、双管反激电路。受限于现有半导体器件的耐压水平（最高4500V，内阻几十欧姆），电源输入电压最高可到4000V左右。高耐压水平的半导体器件价格昂贵，电源成本高，经济性不好。高耐压水平的半导体器件内阻很大，半导体器件损耗大，效率低，不适合低输入电压使用。电源输出功率较小。

3、单管正激电路。受限于现有半导体器件的耐压水平（最高4500V，内阻几十欧姆），电源输入电压最高可到2000V左右。高耐压水平的半导体器件价格昂贵，电源成本高，经

济性不好。高耐压水平的半导体器件内阻很大，半导体器件损耗大，效率低，不适合低输入电压使用。电源输出功率较中等。电源输入电压范围窄，不适合宽范围输入。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可扩展的直流高压功率变换电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种可扩展的直流高压功率变换电路，由至少一个功率单元组成，所述功率单元包括两个或两个以上绕组单元、功率变压器Ta、整流二极管Da和输出电容Ca，每个绕组单元包括电阻Rn、电容Cn、电流互感器Tn、晶体管Qn和功率变压器Ta的NPn绕组，功率单元的A点与直流高压输入正连接，功率单元的B点与直流高压输入负连接，电阻Rn、电容Cn并联后的一端与功率变压器Ta的NPn绕组非同名端连接，同时还与电阻Rn-1、电容Cn-1一端连接，电阻Rn、电容Cn另一端与电流互感器Tn的NP绕组非同名端连接，晶体管Qn的漏极与功率变压器Ta的NPn绕组同名端连接，晶体管Qn的源极与电流互感器Tn的NP绕组同名端连接，晶体管Qn的栅极与驱动电路连接，变压器Ta的NS1绕组的同名端连接二极管Da的阳极，二极管Da的阴极连接电容Ca和输出正极，变压器Ta的NS1绕组的非同名端连接电容Ca的另一端和输出负极。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述晶体管Qn为半导体可控器件，具体是金属氧化物半导体场效应管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、不再受限于单个开关器件例如金属氧化物半导体场效应管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT的耐压水平，可以实现输入电压远远高于单个开关器件耐压水平；2、使用多个低内阻常规半导体器件，提高效率，热损耗均匀分布在多个半导体器件上，大大降低了半导体器件热负荷，延长器件寿命，提高设备可靠性；3、工作电压更高可以达到15KV甚至更高。新型直流高压功率变换电路不仅实现了高输入电压、宽输入范围，还适合低输入电压。

附图说明

图1是采用1个功率单元的电路图。

图2是采用2个或2个以上功率单元的电路图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-2；本实用新型实施例中，一种可扩展的直流高压功率变换电路，由至少一个功率单元组成，所述功率单元包括两个或两个以上绕组单元、功率变压器Ta、整流二极管Da和输出电容Ca，每个绕组单元包括电阻Rn、电容Cn、电流互感器Tn、晶体管Qn和功率变压器Ta的NPn绕组，功率单元的A点与直流高压输入正连接，功率单元的B点与直流高压输入负连接，电阻Rn、电容Cn并联后的一端与功率变压器Ta的NPn绕组非同名端连接，同时还与电阻Rn-1、电容Cn-1一端连接，电阻Rn、电容Cn另一端与电流互感器Tn的NP绕组非同名端连接，晶体管Qn的漏极与功率变压器Ta的NPn绕组同名端连接，晶体管Qn的源极与电流互感器Tn的NP绕组同名端连接，晶体管Qn的栅极与驱动电路连接，变压器Ta的NS1绕组的同名端连接二极管Da的阳极，二极管Da的阴极连接电容Ca和输出正极，变压器Ta的NS1绕组的非同名端连接电容Ca的另一端和输出负极。

晶体管Qn为半导体可控器件，具体是金属氧化物半导体场效应管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。

两个或两个以上功率单元由功率单元1~功率单元n组成，如图2所示，功率单元1的A点与直流高压输入正连接，功率单元1的B点与功率单元2的A点连接，功率单元2的B点与功率单元3的A点连接，以此类推，功率单元n的B点与直流高压输入负连接。功率单元1~功率单元n的输出正连接在一起，功率单元1~功率单元n的输出负连接在一起。

本实用新型的工作原理是：1、采用一个功率单元时，电容C1~Cn串联分压，这样每个电容上的电压较低。电阻R1~Rn分别与C1 ~Cn并联修正因电容容量偏差造成的电容分压不均的问题。由于每个电容上的电压较低，因此晶体管Q1~Qn可以选择常规电压等级的器件（例如900V器件）。晶体管Q1~Qn的驱动来自同一个驱动信号，保证了晶体管Q1~Qn同时开通和关断。在工作时电容C1~Cn的分压一致，晶体管Q1~Qn的电压应力相同，绕组单元1 ~绕组单元n传输的功率相同。

假设电容C1的电压高，在晶体管Q1~Qn相同的导通时间内，绕组单元1向变压器Ta次级传输更多的能量。由于绕组单元1向变压器Ta次级传输更多的能量，电容C1两端电压会下降，直至与电容C2~Cn电压基本相等。由此可见功率单元的每个功率绕组之间的电压会自动均衡，不存在功率绕组之间分压不均匀的情况。功率绕组之间的自动均压，保证了晶体管Q1~Qn的电压应力相同，保证了功率单元可靠工作。

2、采用两个或两个以上初级串联次级并联的功率单元时，功率单元1~功率单元n初级串联分压，这样每个功率单元上的电压较低。电阻R1~Rnn分别与C1 ~Cnn并联修正因电容容量偏差造成的电容分压不均的问题。由于每个电容上的电压较低，因此晶体管Q1-Qnn可以选择常规电压等级的器件（例如900V器件）。晶体管Q1~Qnn的驱动来自同一个驱动信号，保证了晶体管Q1~Qnn同时开通和关断。在工作时电容C1~Cnn的分压一致，晶体管Q1~Qnn的电压应力相同，功率单元1 ~功率单元n传输的功率相同。

假设功率单元1的电压高，在晶体管Q1~Qnn相同的导通时间内，功率单元1通过变压器Ta向输出传输更多的能量。由于功率单元1通过变压器Ta向输出传输更多的能量，功率单元1两端电压会下降，直至与功率单元2~功率单元n电压基本相等。由此可见每个功率单元之间的电压会自动均衡，不存在功率单元之间分压不均的情况。功率单元之间的自动均压，保证了晶体管Q1~Qnn的电压应力相同，保证了取能电源可靠工作。

应用选择主要有三种。

1、输入直流电压为2000V及2000V以下，高位取能电源可以采用一个功率单元。理论上更高输入电压可以采用一个功率单元来实现，通过增加绕组单元数量就可以实现。在实际工程应用中，功率变压器Ta的NPn绕组数量越多则变压器绕制工艺越复杂，不利于变压器绕制。功率变压器Ta的NPn绕组数量越多则初级绕组与次级绕组的耦合程度越差，不利于取能电源效率提高。因此在实际工程应用中，功率变压器Ta的NPn绕组数量为2~6较为合适。在某些特殊需求或应用中功率变压器Ta的NPn绕组数量可以为7或7以上。

2、输入直流电压为1000V及1000V以上，高位取能电源可以采用两个或两个以上初级串联次级并联的功率单元。两个或两个以上初级串联次级并联的功率单元可以实现更高的输入直流电压及更大的输出功率。

3、输入直流电压为1000V~2000V，可以根据实际需求来确定高位取能电源选用一个还是两个及两个以上功率单元。

Claims (2)

1.一种可扩展的直流高压功率变换电路，由至少一个功率单元组成，其特征在于，所述功率单元包括两个或两个以上绕组单元、功率变压器Ta、整流二极管Da和输出电容Ca，每个绕组单元包括电阻Rn、电容Cn、电流互感器Tn、晶体管Qn和功率变压器Ta的NPn绕组，功率单元的A点与直流高压输入正连接，功率单元的B点与直流高压输入负连接，电阻Rn、电容Cn并联后的一端与功率变压器Ta的NPn绕组非同名端连接，同时还与电阻Rn-1、电容Cn-1一端连接，电阻Rn、电容Cn另一端与电流互感器Tn的NP绕组非同名端连接，晶体管Qn的漏极与功率变压器Ta的NPn绕组同名端连接，晶体管Qn的源极与电流互感器Tn的NP绕组同名端连接，晶体管Qn的栅极与驱动电路连接，变压器Ta的NS1绕组的同名端连接二极管Da的阳极，二极管Da的阴极连接电容Ca和输出正极，变压器Ta的NS1绕组的非同名端连接电容Ca的另一端和输出负极。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展的直流高压功率变换电路，其特征在于，所述晶体管Qn为半导体可控器件，具体是金属氧化物半导体场效应管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。