CN102403903A - 直流电压变换器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种直流电压变换器，可适用于各类中高压直流***。该变换器的拓扑由逆变部分，高频变压器部分，整流部分组成。通过含有中间能量模块的逆变部分，将直流电压转换为交变电压，其中中间能量模块的作用是提高耐压；通过高频变压器，在改变电压幅值的同时，将能量送至副边；通过整流部分，将交变电压变为直流。以上所述的逆变部分可以采用全桥结构、半桥结构、半桥LLC结构、推挽结构、反激结构和正激结构。本发明还提出了半桥以外的中间能量模块拓扑，可以应用于上述逆变部分各结构。以上所述的整流部分可以采用全桥结构、半桥结构、倍流整流结构或正反激拓扑中的简化副边结构。

Description

直流电压变换器

技术领域

本发明涉及一种用于转换直流电压的装置。

背景技术

在中高压输电线路中，为了实现电压幅值的变换，可以采用先将电压由直流变为交流，之后通过变压器变压，最后再变回直流的方式，一般来说，器件的耐压是这种变压方式的瓶颈。

德国学者R.Marguardt将由半桥功率器件结构及电容组成的基本模块串联起来，应用于直流到交流或交流到直流的变换场合，这种结构称为模块化多电平变换器(MMC)。由于电容的电压限制作用，使模块中的功率器件不需承受过高的电压，就能实现高电压等级的直流-交流变换。

上述的基本模块中含有一种由两个可关断功率半导体和反并联二极管同向串联构成的基本单元，也就是所谓的半桥。半桥有三个电压引出点，可以被称为负点、中点及正点。在正点和负点之间并联接入一个电容。则通过对可关断功率半导体的分别控制，可以实现中点对负点电压值为电容电压或为零。对上述的基本模块，其中的反并联二极管也可以由一个可关断功率半导体替代。

发明内容

为了突破可控功率器件耐压的限制，同时拓展变换器的升压或降压比，本发明利用前述的半桥结构再并联电容的基本模块，将其应用于直流变换，以实现使用低耐压等级的可控功率器件，在直流中高压环境中进行电压变换。

该变换器由高压逆变部分，高频变压器，高压整流部分三部分组成。将两个功率半导体串联后再并联电容的结构，称为中间能量模块。高压逆变端由n个中间能量模块串并联组成，这样既可以承受直流高压，也可以实现对整个变换器的控制。高频变压器的副端根据所采用的整流拓扑，可以采取有中心抽头或无中心抽头的结构。高压整流端由耐高压不控功率器件、电感和电容等器件组成。

如果将中间能量模块上电流流过模块电容称为中间能量模块切入电路，将电流只流过功率器件称为中间能量模块切出电路，则可以通过控制切入切出电路的中间能量模块的数量，在高频变压器原端产生所需的周期电压或电流。之后通过高频变压器副端的整流电路，将能量送至直流输出端。

由上述原理，可以通过对中间能量模块中可关断功率半导体导通或关断的控制，控制中间能量模块输出端电压，从而实现流入流出电抗器的电流数值的控制，也就是实现了不同功率的能量传送；实现中间能量模块上电容电压的数值控制；实现对输出电容及并联的输出端上电压数值的控制。这种控制是由采样电路、数字芯片和脉冲发生电路实现的。

通过本发明所述的装置，因其所用器件少，所以具有媲美交流变压器的经济性；因其输入端和输出端均为电容，所以具有媲美交流变压器的稳定性和耐冲击性能；因其结构简单，所以具有媲美交流变压器的体积；因为中间能量模块的结构相同，便于封装且有良好的冗余能力；因为中间能量模块的数量，可以实现低电流纹波下的精确控制；因为采用高频变压器，可以在实现更大变比的同时有效的减少整体尺寸，降低损耗。

附图说明

图1以示意图示出了本发明装置的基本拓扑结构

图2示出了本发明装置的中间能量模块的实施例

图3示出了本发明装置的中间能量模块的一种衍生实施例

图4示出了一种包含中间能量模块的全桥结构的示意图

图5示出了两种包含中间能量模块的半桥结构的示意图

图6示出了一种包含中间能量模块的半桥LLC结构和一种包含中间能量模块的推挽结构的示意图

图7示出了三种可采用的副边整流结构，即全桥结构、倍流整流结构和半桥结构的示意图

图8示出了一种衍生的中间能量模块结构

图9示出了一种包含中间能量模块的正激结构和一种包含中间能量模块的反激结构的示意图

图10示出了两种可采用的简化副边整流结构，即正激副边结构、反激副边结构的示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及的装置可以将一侧的电压为U₁的电压源的能量经由逆变单元变至所需的周期波形。通过高频变压器的转换，将能量输送至副边。通过副边整流结构及滤波，将能量送至电压为U₂的电压源。

如图2所示，对中间能量模块的控制指的是半桥中上端可控功率半导体导通而下端可控功率半导体阻断，中间能量模块输出端电压为模块内电容上电压；半桥中上端可控功率半导体阻断而下端可控功率半导体导通，中间能量模块输出端电压为零。中间能量模块还可以采用图3所示的结构。对中间能量模块的控制采用对偶的方式，即如果上管驱动信号为导通，则下管信号为关闭。

采用全桥结构的含中间能量模块的逆变单元如图4所示，每个桥臂由n个中间能量模块组成，每个能量模块电容上电压为U_in/n，通过控制1、4桥臂上切入或切出的中间能量模块的数量，可以形成一个幅值从+U_in/2到-U_in/2范围内的U_oa，其电平数目n+1个。为同理，可以通过控制2、3桥臂上切入或切出的中间能量模块的数量，可以形成一个幅值从+U_in/2到-U_in/2范围内的U_ob，其电平数目n+1个。这样，通过U_oa和U_ob的叠加，U_out上能形成电平数目为2n+1个，幅值为+U_in到-U_in的周期电压。

采用半桥结构的含中间能量模块的逆变单元如图5所示，其中图5(A)的一侧引出点为输入直流源的中点，其中图5(B)的一侧引出点为输入直流源的负点。以上两种的区别是输出电压U_out的范围分别为+U_in/2到-U_in/2或+U_in到0，而其原理和图4所示的全桥结构类似，都是通过控制切入或切出的中间能量模块的数量，在输出端形成n+1电平的周期电压。

图6(A)示出了采用LLC结构，且含中间能量模块的半桥结构逆变单元。其工作原理为通过LLC器件的谐振功能，更高效率的将能量传送至输出端。图6(B)示出了采用推挽结构，且含中间能量模块的逆变单元。每个桥臂上中间能量模块的电容电压为2U_in/n，于是U_oa的幅值范围为+U_in到-U_in，U_ob有同样的幅值范围，由此通过的U_oa和U_ob的叠加，可在输出端U_out上形成最大幅值为+2U_in到-2U_in的周期电压。

图7示出了三种典型的整流结构。图7(A)为全桥整流结构，图7(B)为倍流整流结构，图7(C)为半桥整流结构。以上三种结构在低压变频器中较为常见，在本发明的拓扑中，和低压变频器的区别是采用高耐压的不控功率器件。三种结构中，全桥结构器件较多，但每个器件所需承受的电压较低；倍流整流结构采用两个电感进行均压从而节省了两个不控功率器件；半桥结构使用的不控功率器件是全桥的一半，但是每个器件的耐压要求是全桥的一倍。

图8示出了一种中间能量模块的衍生例。使用模块串联来提高桥臂的耐压，给每个桥臂上的中间能量模块相同的g₂开通关断信号，以控制每个桥臂的n个模块的T₂同时开通和关断。由于各模块的实际开关时间必然有差异，则通过中间能量模块上的电容C_M限制模块两端的电压，以保护模块。当模块上电容电压超过一定限值，给出触发信号g₂使T₁开通，通过R_M对电容C_M进行放电。

可以将图8所述结构应用于图4、图5、图6等各结构，且可以省略均压电感。还可以将其用于图9(A)所示的基于正激结构，且含中间能量单元的逆变单元，和图9(B)所示的基于反激结构，且含中间能量模块的逆变单元。其工作原理和低压正激变频器或低压反激变频器相同。另一方面，图9中所述结构也可以采用图2、图3中示出的中间能量模块。高压逆变器采用以上两种方式时，整流单元可采用如图10(A)和图10(B)所示的结构，其结构中除了采用耐高压的不控功率器件外，均和低压正激变频器或低压反激变频器相同。

Claims (9)

1.一种用于直流中高压环境中的电压变换器，其特征是，该电压变换器包括，高压逆变部分，高频变压器，高压整流部分三部分，其中，高压逆变部分包含数个桥臂，每个桥臂为一定数量的中间能量单元模块和一个限流电感L_M串联，中间能量模块的结构为两个功率单元串联，再与电容C_M并联，功率模块的中间连接点和电容负极作为该中间能量模块的输出点串联接入中间支路，每个功率模块由全控功率器件和反并二极管或反并功率器件组成。

2.根据权利要求1所述的电压变换器，其特征是，高压逆变部分包含4个由中间能量模块组成的桥臂，组成全桥结构。

3.根据权利要求1所述的电压变换器，其特征是，高压逆变部分包含2个由中间能量模块组成的桥臂，组成半桥结构，输出的一个引出点为两桥臂连接点，另一个引出点为输入电源的中点或输入电源的某一极。

4.根据权利要求1和3所述的电压变换器，其特征是，高压逆变部分包含2个由中间能量模块组成的桥臂，组成半桥LLC结构，半桥LLC为权利要求3所述的半桥结构增加一个电容和一个电感。

5.根据权利要求1所述的电压变换器，其特征是，高压逆变部分包含2个由中间能量模块组成的桥臂，组成推挽结构，2个桥臂的一端均和输入电源的一端相连，另一端分别连接高频变压器的两端，而输入电源的另一端和高频变压器的原边中间抽头相连。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电压变换器，其特征是，高压整流部分采取全桥整流、倍流整流或半桥整流中的一种。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电压变换器，中间能量模块的结构为三条支路并联，支路一为二极管串联全控功率器件和反并二极管，支路二为模块电容，支路三为全控功率器件串联电阻。

8.根据权利要求1和7所述的电压变换器，高压逆变部分包含1个由中间能量模块组成的桥臂，组成正激或反激结构，每个桥臂采用相同的控制脉冲和权利要求1或权利要求7所述的结构

9.根据权利要求1和7和8所述的电压变换器，高压整流部分采用正激或反激拓扑的副边结构。

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