專利名稱：直流電壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)換直流電壓的裝置。
背景技術(shù)：
在中高壓輸電線路中，為了實(shí)現(xiàn)電壓幅值的變換，可以采用先將電壓由直流變?yōu)榻涣?，之后通過(guò)變壓器變壓，最后再變回直流的方式，一般來(lái)說(shuō)，器件的耐壓是這種變壓方式的瓶頸。德國(guó)學(xué)者R. Marguardt將由半橋功率器件結(jié)構(gòu)及電容組成的基本模塊串聯(lián)起來(lái)， 應(yīng)用于直流到交流或交流到直流的變換場(chǎng)合，這種結(jié)構(gòu)稱為模塊化多電平變換器(MMC)。由于電容的電壓限制作用，使模塊中的功率器件不需承受過(guò)高的電壓，就能實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)的直流-交流變換。上述的基本模塊中含有一種由兩個(gè)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體和反并聯(lián)二極管同向串聯(lián)構(gòu)成的基本單元，也就是所謂的半橋。半橋有三個(gè)電壓引出點(diǎn)，可以被稱為負(fù)點(diǎn)、中點(diǎn)及正點(diǎn)。在正點(diǎn)和負(fù)點(diǎn)之間并聯(lián)接入一個(gè)電容。則通過(guò)對(duì)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體的分別控制，可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)對(duì)負(fù)點(diǎn)電壓值為電容電壓或?yàn)榱?。?duì)上述的基本模塊，其中的反并聯(lián)二極管也可以由一個(gè)可關(guān)斷功率半導(dǎo)體替代。

發(fā)明內(nèi)容
為了突破可控功率器件耐壓的限制，同時(shí)拓展變換器的升壓或降壓比，本發(fā)明利用前述的半橋結(jié)構(gòu)再并聯(lián)電容的基本模塊，將其應(yīng)用于直流變換，以實(shí)現(xiàn)使用低耐壓等級(jí)的可控功率器件，在直流中高壓環(huán)境中進(jìn)行電壓變換。該變換器由高壓逆變部分，高頻變壓器，高壓整流部分三部分組成。將兩個(gè)功率半導(dǎo)體串聯(lián)后再并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)，稱為中間能量模塊。高壓逆變端由η個(gè)中間能量模塊串并聯(lián)組成，這樣既可以承受直流高壓，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)變換器的控制。高頻變壓器的副端根據(jù)所采用的整流拓?fù)?，可以采取有中心抽頭或無(wú)中心抽頭的結(jié)構(gòu)。高壓整流端由耐高壓不控功率器件、電感和電容等器件組成。如果將中間能量模塊上電流流過(guò)模塊電容稱為中間能量模塊切入電路，將電流只流過(guò)功率器件稱為中間能量模塊切出電路，則可以通過(guò)控制切入切出電路的中間能量模塊的數(shù)量，在高頻變壓器原端產(chǎn)生所需的周期電壓或電流。之后通過(guò)高頻變壓器副端的整流電路，將能量送至直流輸出端。由上述原理，可以通過(guò)對(duì)中間能量模塊中可關(guān)斷功率半導(dǎo)體導(dǎo)通或關(guān)斷的控制， 控制中間能量模塊輸出端電壓，從而實(shí)現(xiàn)流入流出電抗器的電流數(shù)值的控制，也就是實(shí)現(xiàn)了不同功率的能量傳送；實(shí)現(xiàn)中間能量模塊上電容電壓的數(shù)值控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電容及并聯(lián)的輸出端上電壓數(shù)值的控制。這種控制是由采樣電路、數(shù)字芯片和脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)本發(fā)明所述的裝置，因其所用器件少，所以具有媲美交流變壓器的經(jīng)濟(jì)性；因其輸入端和輸出端均為電容，所以具有媲美交流變壓器的穩(wěn)定性和耐沖擊性能；因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以具有媲美交流變壓器的體積；因?yàn)橹虚g能量模塊的結(jié)構(gòu)相同，便于封裝且有良好的冗余能力；因?yàn)橹虚g能量模塊的數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)低電流紋波下的精確控制；因?yàn)椴捎酶哳l變壓器，可以在實(shí)現(xiàn)更大變比的同時(shí)有效的減少整體尺寸，降低損耗。


圖1以示意圖示出了本發(fā)明裝置的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2示出了本發(fā)明裝置的中間能量模塊的實(shí)施例圖3示出了本發(fā)明裝置的中間能量模塊的一種衍生實(shí)施例圖4示出了一種包含中間能量模塊的全橋結(jié)構(gòu)的示意5示出了兩種包含中間能量模塊的半橋結(jié)構(gòu)的示意6示出了一種包含中間能量模塊的半橋LLC結(jié)構(gòu)和一種包含中間能量模塊的推挽結(jié)構(gòu)的示意7示出了三種可采用的副邊整流結(jié)構(gòu)，即全橋結(jié)構(gòu)、倍流整流結(jié)構(gòu)和半橋結(jié)構(gòu)的示意8示出了一種衍生的中間能量模塊結(jié)構(gòu)圖9示出了一種包含中間能量模塊的正激結(jié)構(gòu)和一種包含中間能量模塊的反激結(jié)構(gòu)的示意10示出了兩種可采用的簡(jiǎn)化副邊整流結(jié)構(gòu)，即正激副邊結(jié)構(gòu)、反激副邊結(jié)構(gòu)的示意圖
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明涉及的裝置可以將一側(cè)的電壓為U1的電壓源的能量經(jīng)由逆變單元變至所需的周期波形。通過(guò)高頻變壓器的轉(zhuǎn)換，將能量輸送至副邊。通過(guò)副邊整流結(jié)構(gòu)及濾波，將能量送至電壓為U2的電壓源。如圖2所示，對(duì)中間能量模塊的控制指的是半橋中上端可控功率半導(dǎo)體導(dǎo)通而下端可控功率半導(dǎo)體阻斷，中間能量模塊輸出端電壓為模塊內(nèi)電容上電壓；半橋中上端可控功率半導(dǎo)體阻斷而下端可控功率半導(dǎo)體導(dǎo)通，中間能量模塊輸出端電壓為零。中間能量模塊還可以采用圖3所示的結(jié)構(gòu)。對(duì)中間能量模塊的控制采用對(duì)偶的方式，即如果上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)為導(dǎo)通，則下管信號(hào)為關(guān)閉。采用全橋結(jié)構(gòu)的含中間能量模塊的逆變單元如圖4所示，每個(gè)橋臂由η個(gè)中間能量模塊組成，每個(gè)能量模塊電容上電壓為Uin/n，通過(guò)控制1、4橋臂上切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，可以形成一個(gè)幅值從+Uin/2到-Uin/2范圍內(nèi)的U。a，其電平數(shù)目n+1個(gè)。為同理，可以通過(guò)控制2、3橋臂上切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，可以形成一個(gè)幅值從 +Uin/2到-Uin/2范圍內(nèi)的U。b，其電平數(shù)目n+1個(gè)。這樣，通過(guò)Uoa和Uob的疊加，Uout上能形成電平數(shù)目為2n+l個(gè)，幅值為+Uin到-Uin的周期電壓。采用半橋結(jié)構(gòu)的含中間能量模塊的逆變單元如圖5所示，其中圖5 (A)的一側(cè)引出點(diǎn)為輸入直流源的中點(diǎn)，其中圖5(B)的一側(cè)引出點(diǎn)為輸入直流源的負(fù)點(diǎn)。以上兩種的區(qū)別是輸出電壓Uout的范圍分別為+Uin/2到-Uin/2或+Uin到0，而其原理和圖4所示的全橋結(jié)構(gòu)類似，都是通過(guò)控制切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，在輸出端形成n+1電平的周期
4電壓。圖6(A)示出了采用LLC結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的半橋結(jié)構(gòu)逆變單元。其工作原理為通過(guò)LLC器件的諧振功能，更高效率的將能量傳送至輸出端。圖6 (B)示出了采用推挽結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的逆變單元。每個(gè)橋臂上中間能量模塊的電容電壓為2Uin/n，于是 Uoa的幅值范圍為+Uin到-uin，Uob有同樣的幅值范圍，由此通過(guò)的Uoa和Uob的疊加，可在輸出端Uout上形成最大幅值為+2Uin到-2Uin的周期電壓。圖7示出了三種典型的整流結(jié)構(gòu)。圖7(A)為全橋整流結(jié)構(gòu)，圖7(B)為倍流整流結(jié)構(gòu)，圖7(C)為半橋整流結(jié)構(gòu)。以上三種結(jié)構(gòu)在低壓變頻器中較為常見(jiàn)，在本發(fā)明的拓?fù)渲?，和低壓變頻器的區(qū)別是采用高耐壓的不控功率器件。三種結(jié)構(gòu)中，全橋結(jié)構(gòu)器件較多， 但每個(gè)器件所需承受的電壓較低；倍流整流結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)電感進(jìn)行均壓從而節(jié)省了兩個(gè)不控功率器件；半橋結(jié)構(gòu)使用的不控功率器件是全橋的一半，但是每個(gè)器件的耐壓要求是全橋的一倍。圖8示出了一種中間能量模塊的衍生例。使用模塊串聯(lián)來(lái)提高橋臂的耐壓，給每個(gè)橋臂上的中間能量模塊相同的&開(kāi)通關(guān)斷信號(hào)，以控制每個(gè)橋臂的η個(gè)模塊的T2同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷。由于各模塊的實(shí)際開(kāi)關(guān)時(shí)間必然有差異，則通過(guò)中間能量模塊上的電容Cm限制模塊兩端的電壓，以保護(hù)模塊。當(dāng)模塊上電容電壓超過(guò)一定限值，給出觸發(fā)信號(hào)&使1\開(kāi)通，通過(guò)&對(duì)電容Cm進(jìn)行放電?？梢詫D8所述結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圖4、圖5、圖6等各結(jié)構(gòu)，且可以省略均壓電感。還可以將其用于圖9(A)所示的基于正激結(jié)構(gòu)，且含中間能量單元的逆變單元，和圖9(B)所示的基于反激結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的逆變單元。其工作原理和低壓正激變頻器或低壓反激變頻器相同。另一方面，圖9中所述結(jié)構(gòu)也可以采用圖2、圖3中示出的中間能量模塊。高壓逆變器采用以上兩種方式時(shí)，整流單元可采用如圖10(A)和圖10(B)所示的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中除了采用耐高壓的不控功率器件外，均和低壓正激變頻器或低壓反激變頻器相同。
權(quán)利要求
1.一種用于直流中高壓環(huán)境中的電壓變換器，其特征是，該電壓變換器包括，高壓逆變部分，高頻變壓器，高壓整流部分三部分，其中，高壓逆變部分包含數(shù)個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂為一定數(shù)量的中間能量單元模塊和一個(gè)限流電感Lm串聯(lián)，中間能量模塊的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)功率單元串聯(lián)，再與電容Cm并聯(lián)，功率模塊的中間連接點(diǎn)和電容負(fù)極作為該中間能量模塊的輸出點(diǎn)串聯(lián)接入中間支路，每個(gè)功率模塊由全控功率器件和反并二極管或反并功率器件組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含4個(gè)由中間能量模塊組成的橋臂，組成全橋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個(gè)由中間能量模塊組成的橋臂，組成半橋結(jié)構(gòu)，輸出的一個(gè)引出點(diǎn)為兩橋臂連接點(diǎn)，另一個(gè)引出點(diǎn)為輸入電源的中點(diǎn)或輸入電源的某一極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個(gè)由中間能量模塊組成的橋臂，組成半橋LLC結(jié)構(gòu)，半橋LLC為權(quán)利要求3所述的半橋結(jié)構(gòu)增加一個(gè)電容和一個(gè)電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個(gè)由中間能量模塊組成的橋臂，組成推挽結(jié)構(gòu)，2個(gè)橋臂的一端均和輸入電源的一端相連，另一端分別連接高頻變壓器的兩端，而輸入電源的另一端和高頻變壓器的原邊中間抽頭相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的電壓變換器，其特征是，高壓整流部分采取全橋整流、倍流整流或半橋整流中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的電壓變換器，中間能量模塊的結(jié)構(gòu)為三條支路并聯(lián)，支路一為二極管串聯(lián)全控功率器件和反并二極管，支路二為模塊電容，支路三為全控功率器件串聯(lián)電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的電壓變換器，高壓逆變部分包含1個(gè)由中間能量模塊組成的橋臂，組成正激或反激結(jié)構(gòu)，每個(gè)橋臂采用相同的控制脈沖和權(quán)利要求1或權(quán)利要求7 所述的結(jié)構(gòu)
9.根據(jù)權(quán)利要求1和7和8所述的電壓變換器，高壓整流部分采用正激或反激拓?fù)涞母边吔Y(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明為一種直流電壓變換器，可適用于各類中高壓直流系統(tǒng)。該變換器的拓?fù)溆赡孀儾糠?，高頻變壓器部分，整流部分組成。通過(guò)含有中間能量模塊的逆變部分，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交變電壓，其中中間能量模塊的作用是提高耐壓；通過(guò)高頻變壓器，在改變電壓幅值的同時(shí)，將能量送至副邊；通過(guò)整流部分，將交變電壓變?yōu)橹绷鳌Ｒ陨纤龅哪孀儾糠挚梢圆捎萌珮蚪Y(jié)構(gòu)、半橋結(jié)構(gòu)、半橋LLC結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)、反激結(jié)構(gòu)和正激結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提出了半橋以外的中間能量模塊拓?fù)?，可以?yīng)用于上述逆變部分各結(jié)構(gòu)。以上所述的整流部分可以采用全橋結(jié)構(gòu)、半橋結(jié)構(gòu)、倍流整流結(jié)構(gòu)或正反激拓?fù)渲械暮?jiǎn)化副邊結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H02M3/24GK102403903SQ201110424578
公開(kāi)日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者韓古月 申請(qǐng)人:韓古月