CN101345473A - 基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器 - Google Patents

Abstract

一种基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器，属于直流变压器。本直流变压器由N(N为自然数)个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输入相互串联接直流电压源正、负端，输出相互并联接输出滤波电容两端。每个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块包括输入电容、全桥电路、串联电感、高频隔离变压器、输出整流桥电路。全桥电路由四个开关管组成全桥电路，每个功率模块以相同的工作频率或不同的工作频率，在接近0.5占空比下工作。利用输入串联输出并联结构和变压器副边箝位作用，自动实现每个功率模块输入侧均压。应用在高压输入、输出不需要调压场合；也可应用在不同输入电压等级场合，具有很好的应用灵活性，在高压输入大功率场合具有一定的应用前景。

Description

基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器

技术领域：

本发明涉及的是一种应用在高压输入、低压输出隔离型直流变压器，属于电能变换装置中的直流隔离降压技术。

背景技术：

与交流输电相比，高压直流输电具有输送功率容量大、损耗小、输送距离远、稳定性好等特点，而有广阔的应用前景。目前在高压直流输电***中整流侧和逆变侧，仍然要工频变压器来实现和交流电网相连，体积大重量重。直流输电仍然作为交流输电一种辅助功能，没有直接用于用电设备。为了适应将来将高压直流输电直接应用于用电设备，尤其对大规模非并网风力发电等独立电力***，原方案就显得笨重而不经济。需要具有和交流隔离变压器功能类似的直流变压装置，将高压直流电转换成隔离的满足用电设备要求的低压直流电。高压直流变压器实现的难点是单个开关器件的耐压不够，目前采用较多的方法是采用多个开关管串联结构，研究多个开关管的串联均压控制技术。还有一种是采用多个直直变换模块输入串联结构，研究多个串联模块的输入端均压控制技术。本专利提出了一种新的可实现自动均压的直直变压器结构---基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器。

发明内容：

本发明旨在传统全桥拓扑结构基础之上提出一种可实现自动均压的基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器。其特征在于：将N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输入端相互串联起来接在输入直流电源的正、负输出端，将N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输出端相互并联起来接在输出滤波电容两端，构成全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器。每个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块包括输入电容、全桥电路、串联电感、高频隔离变压器、输出整流桥电路。全桥电路包括四个开关管，第一开关管与第二开关管串联，第三开关管与第四开关管串联，第一开关管的集电极与第三开关管的集电极相连后接于输入电容正端，第二开关管的发射极与第四开关的发射极相连后接于输入电容负端，第一开关管与第二开关管的串联节点经串联电感连于高频隔离变压器原边绕组的同名端，第三开关管与第四开关管的串联节点连于高频隔离变压器原边绕组的异名端，高频隔离变压器副边绕组接于输出整流桥电路的输入端，输出整流桥电路的输出端连于输出滤波电容两端。全桥电路中每个开关管均并联一个电容，其中N为自然数。

其中每个功率模块可以在相同频率或不同频率下，以近似0.5占空比工作，开环控制，可以实现每个功率模块输入自动均压。它保留了全桥直流变换器的原有的特点，通过功率模块直接串联实现了降低开关管的电压应力。所以它适用在高压输入低压输出隔离场合，特别适合应用在高压直流输电领域之中。通过高频开关管调制，从而大大地减少了变压器的体积和重量，并可以实现开关管的软开关，提高***效率。该结构通用性强，适用范围广。

由于没有输出滤波电感，所以利用隔离变压器的输出电压箝位作用，避免了变压器饱和，又实现每个模块输入电压自动均压。

附图说明：

附图1是本发明示意图。

附图2是本发明中每个模块拓扑结构示意图。

附图3是本发明中模块主要工作波形示意图。

附图4是本发明中某个模块工作模态分析图。

附图5是本发明以三个模块输入串联输出并联为例，在开关频率相同，输入电压从6000V突变到6500V时，在不同条件下仿真图。其中附图5(a)是所有参数相同时每个模块输入电压，附图5(b)是输入电容从上到下分别对应偏差-20％，0％，+20％时每个模块输入电压，附图5(c)是从上到下对应占空比为0.455，0.46，0.475时每个模块输入电压，附图5(d)是串联电感和原边线路电阻从上到下对应偏差为+10％，0％，-10％是每个模块输入电压。

附图6是本发明以三个模块输入串联输出并联为例，在不同开关频率，输入电压从6000V突变到6500V时，在不同条件下仿真图。其中附图6(a)是占空比为0.45，从上到下每个模块工作频率为25Kz，20Kz，16.7Kz，时输入电压，附图6(b)是占空比为0.45，频率为25Kz，20Kz，16.7Kz时，输入电容从上到下分别对应偏差-20％，0％，+20％时每个模块输入电压，附图6(c)是从上到下分别对应占空比为0.425(25Kz)，0.45(20Kz)，0.44(16.7Kz)时对应每个模块输入电压。

附图1-附图4中的主要符号名称：(1)U_in，U_i，i_Li，U_ceQi，U_beQi，U_NS，U_Li——分别是输入电源电压，第i个模块输入电压，第i个模块串联电感电流，第i个模块开关管集电极和发射极电压，第i个模块开关管驱动信号，第i个模块变压器副边电压，第i个模块串联电感电压；(2)C₁—C_N—N个功率模块输入电容；(3)Q₁—Q_4Ni—N个功率模块开关管和对应的体二极管；(4)C₁—C_4N—N个功率模块开关管等效结电容(包括外加电容)；(5)L₁—L_N—N个功率模块串联电感(包括变压器漏感)；(6)T₁—T_N—N个功率模块高频隔离变压器，匝比相同；(7)Q_d1—Q_dN—N个功率模块输出整流桥；(7)U_out，C_out——输出电压和输出滤波电容。

具体实施方式：

基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器(见附图1)，是由N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输入端相互串联接在输入直流电源U_in的正、负两端，N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输出端相互并联接在输出滤波电容C_out两端，构成全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器。每个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块包括输入电容、全桥电路、串联电感、高频隔离变压器、输出整流桥电路。每个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的参数要尽量相同。N为自然数。

全桥电路包括四个开关管，第一开关管与第二开关管串联，第三开关管与第四开关管串联，第一开关管集电极与第三开关管集电极相连后接于输入电容正端，第二开关管发射极与第四开关发射极相连后接于输入电容负端，第一开关管与第二开关管的串联节点经串联电感连于高频隔离变压器原边绕组同名端，第三开关管与第四开关管的串联节点连于高频隔离变压器原边绕组异名端，高频隔离变压器副边绕组接于输出整流桥电路的输入端，输出整流桥电路的输出端连于输出滤波每个功率模块共用的滤波电容C_out两端。全桥电路中每个开关管均并联一个节电容。

在基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器中，每个功率模块基本上有两种不同的工作状态：(1)每个模块都以相同的工作频率，在接近0.5占空比下工作(驱动信号可以是同步，也可以是不同步)；(2)每个模块可以以不同的工作频率，在接近0.5占空比下工作。

工作原理及工作过程：

以附图2为例，结合附图4来叙述本发明中每个模块工作模态，对应关键波形见附图3。由于每个模块以接近0.5占空比工作，所以每个模块在稳态时工作过程相同，所以以第i个模块进行分析。由于输出没有滤波电感，所以模块工作过程和传统的有滤波电感全桥变换器工作过程不同。

为了分析其工作状态，先作如下假设：

(1)变换器工作已经达到稳态，输入电容上电压等效为电压源；

(2)Q_4i-3—Q_4i由理想开关、寄生二极管和电容C_4i-3—C_4i并联构成；C_d1、C_d2、C_d3、C_d4分别为第i个模块副边整流桥中四个二极管d₁、d₂、d₃、d₄的寄生电容，且有C_d1＝C_d2＝C_d3＝C_d4＝C_d。为了简化绘图，在附图1中没有给出每个附边整流二极管所对应的寄生电容。

(3)L_i为变压器原边串联电感，变压器副原边匝比为N_S/N_P＝n。

该直流变压器模块在半个周期中有五个工作模态，电路主要工作波形如图3所示，每个工作模态对应的等效电路如图4所示。

工作模态1[t₀，t₁]  [等效电路如图4(a)]

在t₀时刻以前，开关管Q_4i-3、Q_4i开通，开关管Q_4i-2、Q_4i-1关断，副边整流二极管d₁和副边整流二极管d₄导通。t₀时刻，开关管Q_4i-3、Q_4i关断，电感L_i与四个功率管结电容谐振，对开关管Q_4i-3、Q_4i结电容充电，对开关管Q_4i-2、Q_4i-1结电容放电。当开关管Q_4i-3、Q_4i两端电压为U_i，开关管Q_4i-2、Q_4i-1两端电压降为零时，该模态结束。

工作模态2[t₁，t₂]  [等效电路如图4(b)]

在t₁时刻，开关管Q_4i-2、Q_4i-1的寄生二极管导通，串联L_i中电流i_Li下线性下降。该模态中，开关两端电压保持不变。

工作模态3[t₂，t₃]  [等效电路如图4(b)]

在t₂时刻，开通开关管Q_4i-2、Q_4i-1。由于开关管Q_4i-2、Q_4i-1的寄生二极管导通，所以开关为开关管Q_4i-2、Q_4i-1是ZVS开通。串联L_i中电流i_Li线性下降到零，相应副边N_s电流减小到零，开关管Q_4i-2、Q_4i-1的寄生二极管关断，副边整流二极管d₁和副边整流二极管d₄截止，该模态结束。

工作模态4[t₃，t₄]  [等效电路如图4(c)]

在t₃时刻，副边整流二极管d₁和副边整流二极管d₄截止，变压器电压开始反向。该过程中原边串联L_i折算到副边与副边整流二极管的寄生电容谐振，即对副边整流二极管的寄生电容C_d2、C_d3放电，副边整流二极管的寄生电容C_d1、C_d4充电。当副边电压为-U_out时，该模态结束。

工作模态5[t₄，t₅]  [等效电路如图4(d)]

在t₄时刻，副边整流二极管d₂和副边整流二极管d₃导通，变压器向负载传递能量。串联L_i中电流i_L1下线性下降。当开关管Q_4i-2、Q_4i-1关断时，该模态结束。t₅时刻开关管Q_4i-2、Q_4i-1关断之后，变换器开始另半个周期，其工作过程和前半个周期类似，这里不再赘述。

通过过程分析，利用串联电感和结电容谐振，可以实现功率管的零电压(ZVS)开关，从而有利于提高变换器效率。

输入均压分析

在附图1中，如果每个模块的效率是100％，那么输出功率等于输入功率。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{C1}\×I_{\mathrm{in}1}=U_{\mathrm{out}}\×I_{o1}\\ U_{C2}\×I_{\mathrm{in}2}=U_{\mathrm{out}}\×I_{o2}\\ .\\ .\\ .\\ U_{\mathrm{CN}}\×I_{\mathrm{inN}}=U_{\mathrm{out}}\×I_{\mathrm{oN}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中U_C1、U_C2、...、U_CN分别是每个模块的输入电压，I_in1、I_in2、...、I_inN分别是每个模块输入平均电流，I_o1、I_o2、...、I_oN分别是每个模块输出平均电流。

在稳态时，由于每个模块的输入电容电压基本保持不变，所以每个模块输入电容的平均输入电流为零，所以

I_in1＝I_in2＝…＝I_inN。    (2)

又由于每个模块隔离变压器匝比相同，所以在每个模块输出电流平均值也必然相同即

I_o1＝I_o2＝…＝I_oN。       (3)

同时由于输出没有滤波电感，所以每个模块变压器原边电压被输出电压自动箝位为U_out/n。由式(1)-(3)，可以得出：U_C1＝U_C2＝…＝U_CN，即每个模块输入电压是相等，自动实现了每个模块输入均压。同时，每个模块的输入电容容量不同，也不会对每个模块输入均压带来影响。

以上分析了，每个模块可以实现自动均压和等功率传输。下面给出各种条件下仿真结果。

仿真分析

附图5给出了三个模块开关频率相同，输入电压从6000V变到6500V时，在不同条件下的仿真波形。从中可以得出即使各个模块参数有所不同，仍然获得很好地均压效果，在实际应用中可以满足要求。

附图6给出了三个模块开关频率不同，输入电压从6000V变到6500V时，在不同条件下的仿真波形。同样从仿真结果中可以看出即使各个模块参数有所不同，仍然获得很好地均压效果，在实际应用中可以满足要求。

Claims (1)

1.基于全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器，其特征在于：将N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输入端相互串联接在输入直流电源的正、负输出端，将N个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块的输出端相互并联起来接在输出滤波电容两端，构成全桥拓扑结构输入串联输出并联自动均压直流变压器，每个全桥拓扑结构的直流变压器功率模块包括输入电容、全桥电路、串联电感、高频隔离变压器、输出整流桥电路，全桥电路包括四个开关管，第一开关管与第二开关管串联，第三开关管与第四开关管串联，第一开关管的集电极与第三开关管的集电极相连后接于输入电容正端，第二开关管的发射极与第四开关的发射极相连后接于输入电容负端，第一开关管与第二开关管的串联节点经串联电感连于高频隔离变压器原边绕组的同名端，第三开关管与第四开关管的串联节点连于高频隔离变压器原边绕组的异名端，高频隔离变压器副边绕组接于输出整流桥电路的输入端，输出整流桥电路的输出端连于输出滤波电容两端，全桥电路中每个开关管均并联一个电容，N为自然数。

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