專(zhuān)利名稱(chēng)：直流電壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單向直流電壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?。本發(fā)明還涉及兩種該轉(zhuǎn)換器的控制方法。
背景技術(shù)：
一方面，在中高壓直流線路中，為了實(shí)現(xiàn)電壓變換，一般采用先將電壓由直流變?yōu)榻涣鳎笸ㄟ^(guò)交流變壓器變壓，最后再變回直流的方式。而以上做法既導(dǎo)致輸電效率低，又需要大量功率器件。另一方面，在相同電壓等級(jí)和損耗要求下，三相交流輸電線路必須使用比直流輸電線路更多的材料。德國(guó)學(xué)者R. Marguardt將半橋全控功率器件結(jié)構(gòu)和電容并聯(lián)組成基本模塊，將該基本模塊串聯(lián)起來(lái)，應(yīng)用于直流到交流或交流到直流的變換器，這種變換器被稱(chēng)為模塊化多電平變換器(MMC)。由于電容上的電壓限制，使模塊中的全控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)的直流到交流的變換。上述的基本模塊中含有一種由兩個(gè)全控功率器件和反并聯(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(chēng)為負(fù)點(diǎn)n、中點(diǎn)O及正點(diǎn)P。在正點(diǎn)P和負(fù)點(diǎn)n之間并聯(lián)接入一個(gè)電容。則通過(guò)對(duì)半橋中全控功率器件的互補(bǔ)控制，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)O對(duì)負(fù)點(diǎn)n電壓值為電容電壓或?yàn)榱恪?br>
發(fā)明內(nèi)容
對(duì)于高壓直流變換器，不能使用傳統(tǒng)的buck、boost等直接的直流變換拓?fù)涞脑?，主要是受全控功率器件耐壓的限制。本發(fā)明利用前述的半橋結(jié)構(gòu)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)的全控功率器件，在直流中高壓環(huán)境中直接進(jìn)行電壓變換。將兩個(gè)全控功率器件串聯(lián)再并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)單元，稱(chēng)為中間能量模塊。將n個(gè)中間能量模塊串聯(lián)起來(lái)，既可以承受直流高壓，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)直流變換單元的控制。所采用的控制方案是將過(guò)程分為能量流入和流出中間能量模塊兩個(gè)階段，第一階段，控制輸入端的能量先流入n個(gè)中間能量模塊；第二階段，控制n個(gè)中間能量模塊的能量流入輸出端。使用高耐壓的半控功率器件，如晶閘管等，來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入端、n個(gè)中間能量模塊和輸出端之間的導(dǎo)通和隔離。將上述的直流變換單元并聯(lián)起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期中，各個(gè)時(shí)段都有某個(gè)直流變換單元的電流流入高頻變壓器，這樣既可提高流入高頻變壓器的電流的頻率，也可減少相同功率下流入副邊的電流最大值。直流變換單元分為數(shù)量相等的兩組，與變壓器原邊端口的連接相反，從而實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的磁通復(fù)位。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能量模塊的可控性，可以實(shí)現(xiàn)不同輸入輸出電壓值的調(diào)節(jié)；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)椴捎弥绷髯儞Q單元的并聯(lián)，可以有效減小副邊電流的波動(dòng)和最大值。


圖I以示意圖示出了本發(fā)明裝置的組成結(jié)構(gòu)圖2示出了本發(fā)明裝置中直流變換單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3示出了本發(fā)明裝置的中間能量模塊的一種實(shí)施例圖4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5示出了本發(fā)明裝置中高頻變壓器的一種結(jié)構(gòu)圖6示出了本發(fā)明裝置中高頻變壓器的一種結(jié)構(gòu)圖7示出了本發(fā)明裝置包含兩個(gè)并聯(lián)的直流變換單元，每個(gè)單元采用三個(gè)中間能量模塊且省略電抗L1和L3時(shí)，采用一種控制方式，中間能量模塊上管控制電壓及中間支路上電抗L12, L22上的電流圖8示出了本發(fā)明裝置包含兩個(gè)并聯(lián)的直流變換單元，每個(gè)單元采用三個(gè)中間能量模塊且省略電抗L1和L3時(shí)，采用一種控制方式，中間能量模塊上管控制電壓及中間支路上電抗L12, L22上的電流
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置由原邊及可選的濾波電路，數(shù)個(gè)并聯(lián)的直流變換單元，可選的變壓器和副邊及其濾波電路組成。并聯(lián)的直流變換單元結(jié)構(gòu)相同，均如圖2所示。該單元可以將電壓為U1的原邊電壓源的能量經(jīng)由二極管Dkl流入由電抗器LK1，Lk2和n個(gè)中間能量模塊Mkl、Mk2到Mkn。當(dāng)流入能量滿(mǎn)足要求后，通過(guò)對(duì)中間能量模塊Mkl、Mk2到Mkn的控制，使電抗器Lk2和n個(gè)基本單元Mkl、Mk2到Mkn上的能量經(jīng)由半控功率器件Dk2,電抗器Lk3流入副邊電容C2和其并聯(lián)的電壓副端U2。每個(gè)并聯(lián)的直流變換單元進(jìn)入第二階段的時(shí)間是交錯(cuò)的，從而使流入高頻變壓器的電流頻率較高直至表現(xiàn)為直流。當(dāng)直流變換單元的變比和使用條件不同時(shí)，可以省略每個(gè)單元內(nèi)三個(gè)電抗器中的一個(gè)或兩個(gè)。如圖3所示，對(duì)中間能量模塊的控制指的是當(dāng)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；當(dāng)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4所示的結(jié)構(gòu)。對(duì)中間能量模塊的控制采用互補(bǔ)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。高頻變壓器可以采用圖5所示的結(jié)構(gòu)，即在變壓器原邊將并聯(lián)的直流變流器端口連接在一起，其中，奇數(shù)組直流變換器接變壓器的同名端，偶數(shù)組直流變換器接變壓器的異名端。高頻變壓器還可以采用圖6所示的結(jié)構(gòu)，即原邊采取多繞組共用磁芯的結(jié)構(gòu)，同樣將直流變流器分為數(shù)量相等的兩組，分別連接變壓器原邊的同名或異名端。綜上，該變換器通過(guò)功率器件、電抗器和中間能量模塊，將能量從某個(gè)電壓等級(jí)的電壓源送至另一個(gè)電壓等級(jí)的電壓源或負(fù)載上。圖7為采用兩個(gè)直流變換單元并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，且每個(gè)變換單元包含三個(gè)中間能量模塊時(shí)，直流變換單元一和直流變換單元二的三個(gè)能量中間模塊上管的控制信號(hào)的示意圖和流入電感L12, L22 (省略其它4個(gè)電感)上電流的示意圖。對(duì)直流變換單元一來(lái)說(shuō)，在一個(gè)時(shí)間為t周期內(nèi)，將能量從電源流入中間能量模塊的稱(chēng)為階段一，時(shí)間為h。將能量從中間能量模塊流入負(fù)載的階段稱(chēng)為階段二，時(shí)間為t2。為使電流最大值相同，&和12的比例與電源電壓U1與負(fù)載電壓U2的比例相同。在階段一，t1(l到tn階段，控制所有中間模塊接入電路的電壓為零，從而使電感L1, L2上電流升至某預(yù)定值Iin ；tn到t14階段，按順序逐步接入 需充電的中間模塊，并切出電容電壓達(dá)到某預(yù)定值Uin的中間模塊，來(lái)控制電感L1, L2上電流圍繞預(yù)定值Iin波動(dòng)；t14到t2(l階段，使電流值降為零并使所有中間模塊上電容電壓都達(dá)到預(yù)定值Uin。階段一中，電感電流和電容電壓的預(yù)定值都可以通過(guò)系統(tǒng)的功率P值來(lái)確定，
I-
等式為Pt-U0J =UlIJx，式中，由功率決定的模塊電壓最大值為Uin，模塊電壓
最小值為Uout。在階段二，采用和上述類(lèi)似的方式，首先控制所有的中間模塊接入電路的電壓為合適值，從而使電感L2, L3上電流達(dá)到預(yù)定值Iwt，之后逐步切出電容電壓達(dá)到預(yù)定值Uout的中間模塊并且切入能量未釋放至預(yù)定值的模塊，來(lái)控制電感L1, L2上電流圍繞預(yù)定值Iout波動(dòng)，直至所有中間模塊上電容電壓都達(dá)到預(yù)定值Uwt。電感電流和電容電壓的預(yù)定值
都可以通過(guò)系統(tǒng)的功率P值來(lái)確定，等式為乃。以上的拓?fù)淙?br> 果使用的是半控功率器件而非不控功率器件，在階段一應(yīng)觸發(fā)原邊側(cè)半控功率器件，在階段二應(yīng)觸發(fā)副邊側(cè)半控功率器件。直流變換單元二的控制方式和單元一類(lèi)似，區(qū)別是每個(gè)階段落后單元一半個(gè)周期。因?yàn)橹虚g能量單元上的電容和相應(yīng)電感的諧振會(huì)被單向?qū)ǖ目煽毓β拾雽?dǎo)體或不可控功率半導(dǎo)體負(fù)向阻斷，上述控制過(guò)程可以通過(guò)一種簡(jiǎn)化方式實(shí)現(xiàn)如圖8所示，為三個(gè)能量中間模塊上管的控制信號(hào)的示意圖和流入電感L2上電流的示意圖。該方式只對(duì)兩個(gè)階段中的一個(gè)進(jìn)行控制，而另一個(gè)階段，如果是能量向低壓側(cè)傳遞，則使每個(gè)中間模塊上電容的接入時(shí)間為本階段總時(shí)間除以模塊數(shù)量；如果是能量向高壓側(cè)傳遞，則使每個(gè)中間模塊上電容的接入時(shí)間為本階段總時(shí)間。與前述相同，直流變換單元二的控制方式和單元一類(lèi)似，區(qū)別是每個(gè)階段落后單元一半個(gè)周期。
權(quán)利要求
1.一種用于直流的電壓變換器，其特征是，該電壓變換器由原邊電源及可選的濾波電容、數(shù)個(gè)并聯(lián)的直流電壓變換單元、可選的高頻變壓器、副邊濾波電容及輸出端ロ構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的直流電壓變換器，其特征是，該電壓變換器中數(shù)個(gè)并聯(lián)的直流電壓變換單元的拓?fù)錇椋藰O管器件Dkl，限流電感Lkl，原邊輸入端ロ，三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成原邊支路；限流電感Lk2，n個(gè)中間能量模塊Mkl，Mk2. . .Mkn，兩個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成中間支路；ニ極管器件Dk2,限流電感Lk3,副邊輸出端ロ，三個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)組成副邊支路；三條支路并聯(lián)組成整個(gè)電路拓?fù)?，其中，中間能量模塊的結(jié)構(gòu)為兩個(gè)全控功率器件(IGBT類(lèi)全控型器件)串聯(lián)，再與電容Cm并聯(lián)，全控功率器件的中間連接點(diǎn)和電容負(fù)端作為該中間能量模塊的連接點(diǎn)串聯(lián)接入中間支路，中間能量模塊中的兩個(gè)全控功率器件的控制信號(hào)互補(bǔ)，并且使中間能量模塊接入中間支路的電壓為電容Cm上電壓或?yàn)榱恪?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的電壓變換器，其特征是，每個(gè)直流變換單元的控制過(guò)程都分為第一階段，控制中間能量模塊接入中間支路的電壓，使能量由原端U1經(jīng)Dkl，LK1, Lk2流入中間能量模塊；第ニ階段，控制中間能量模塊接入中間支路的電壓，使中間能量模塊上存儲(chǔ)的能量經(jīng)由Lk2，Lk3, Dk2，流入副邊輸出端ロ，并聯(lián)的直流變換單元各自的兩階段相互交錯(cuò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的電壓變換器，其特征是，直流變換單元的能量流動(dòng)原理符合權(quán)カ要求3所述，變換器中的器件采用具有類(lèi)似控制性能或更好控制性能的器件取代。
5.根據(jù)權(quán)利要求I和2和3和4所述的電壓變換器，其特征是，直流變換單元的能量流動(dòng)原理符合權(quán)カ要求3所述，限流電感中的ー個(gè)或ニ個(gè)被省略。
6.根據(jù)權(quán)利要求I電壓變換器，其特征是，可選的高頻變壓器可采用以下三種結(jié)構(gòu)的ー種一，并聯(lián)的直流變換單元輸出端ロ連接在一起后流入一個(gè)高頻變壓器；ニ、并聯(lián)的直流變換單元輸出端ロ以及變壓器的輸出端ロ分別連接，但共用同一磁芯；三、并聯(lián)的直流變換單元輸出端ロ連接在一起直接輸出，省略高頻變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I和2和3和4和5所述的電壓變換器，其特征是，對(duì)該變換器中每個(gè)直流變換單元的控制方法為第一階段，輪流控制O個(gè)或I個(gè)或...或η個(gè)中間能量単元上電容接入以從原端吸取能量，吸取能量的過(guò)程中使輸入電流為預(yù)設(shè)值并使中間能量単元的電容上電壓升至預(yù)設(shè)值；第二階段，輪流控制O個(gè)或I個(gè)或...或η個(gè)中間能量単元上電容接入以向副端放出能量，放出能量的過(guò)程中控制輸出電流為預(yù)設(shè)值并控制中間能量単元的電容上電壓降至預(yù)設(shè)值，并聯(lián)的直流變換單元各自的兩階段相互交錯(cuò)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I和2和3和4和5所述的電壓變換器，根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征是，對(duì)該變換器的控制方法為，只在中間能量単元吸取或釋放能量階段之ー進(jìn)行控制，即輪流控制O個(gè)或I個(gè)或...或η個(gè)中間能量単元上電容接入，以使電流為預(yù)設(shè)值并使中間能量単元的電容上電壓升至預(yù)設(shè)值；在另ー階段，輪流控制O個(gè)或I個(gè)或...或η個(gè)中間能量単元上電容接入，依靠中間能量単元上電容和電流回路中電感的諧振實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，并聯(lián)的直流變換單元各自的兩階段相互交錯(cuò)。
全文摘要
本發(fā)明為一種單向直流電壓變換器，可適用于各類(lèi)中高壓直流系統(tǒng)。該變換器由原邊及可選的濾波電路，數(shù)個(gè)并聯(lián)的直流變換單元，可選的變壓器和副邊及其濾波電路組成。其中數(shù)個(gè)并聯(lián)的直流變換單元中不含變壓器，而是由二極管、電感、電容和功率器件組成的中間能量模塊等組成。中間能量模塊由半橋結(jié)構(gòu)的全控功率器件并聯(lián)電容構(gòu)成。數(shù)個(gè)直流變換單元的控制過(guò)程分為能量流入和流出中間能量模塊兩個(gè)階段，可以分別對(duì)兩個(gè)階段的電流進(jìn)行控制，也可以只控制一個(gè)階段的電流，另一個(gè)階段利用諧振和半控功率器件的單向?qū)ㄌ匦?。該單向直流電壓變換器中的變壓器部分可以采用單繞組或多繞組的結(jié)構(gòu)，也可根據(jù)變比需求進(jìn)行省略。通過(guò)單向直流電壓變換器的應(yīng)用可以降低輸電成本，簡(jiǎn)化輸電系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK102638168SQ20121009021
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者韓古月 申請(qǐng)人:韓古月