CN105356758A - 一种高频隔离型dc-dc双级功率变换***结构 - Google Patents

一种高频隔离型dc-dc双级功率变换***结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，包括结合为一体的三电平降压变换器和串联谐振变换器，三电平降压变换器包括三电平功率变换模块和LC低通滤波器，三电平功率变换模块直接与LC低通滤波器串联；所述串联谐振变换器包括全桥逆变器及高频变压器和整流桥，LC低通滤波器右端直接与全桥逆变器连接，全桥逆变器的中点分别与高频变压器中的漏感Lr和谐振电容Cr连接，高频变压器二次侧与整流桥的两个桥臂中点相连，整流桥右端并联输出稳压电容。本发明前端采用三电平拓扑结构对于输入电压高的应用场合也非常适用，后端采用串联谐振变换器，实现高频隔离作用，可以满足绝大多数电动汽车的充电要求。

Description

一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构
技术领域
本发明涉及功率变换***领域，具体涉及一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构。
背景技术
随着社会发展速度的日益加快，人类对能源的需求不断提高，化石能源的日益枯竭与社会发展对能源的高需求之间的矛盾，迫使人们越来越关注可再生能源的开发和利用，为了应对石油资源的短缺以及节能减排的环保要求，电动汽车以其高效率、低排放的特点成为研究热点。电动汽车关键问题是快速充电，电动汽车快速充电站的发明与建设是推动电动汽车产业发展关键因素之一，近年来电动汽车充电站核心装置的研发成为了世界各大高校与企业研究的热点。
电动汽车充电技术能够将电网电能转换为车载动力电池所需要的电能，从而用于汽车驱动。目前电动汽车充电形式多种多样，但主要可以分为交流充电和直流充电，交流充电电压低、电流小，存在负荷低，充电时间长等问题，所以用途非常局限。而直流充电又称为快速充电，目的是短时间内冲入大量电能以实现快速充电，直流充电能够实现大功率能量变换，能够大大缩短充电时间，弥补了电动汽车续航能力差的缺点因此进年来发展不断加快。
现有对电动汽车直流快速充电结构的研究主要分为两类：一种为应用公共交流配电网通过AC-DC变换器实现电动汽车快速充电，另一种为采用大功率的整流装置如三相整流器构建出公共直流母线再进行DC-DC变换对电池进行充电，综合考虑显然是第二种方式更加的合理，不仅可以减少整体***变换装置的数量，而且更容易将新能源发电***接入。本发明主要面对直流母线至电动汽车之间的功率变换应用。现有对电动汽车快速充电站中的DC-DC功率变换装置的研究主要包括隔离型与非隔离型两种，其主要差别为是否采用高频变压器将输入与输出之间进行电气隔离，同时电动汽车快速充电站必须能够满足多辆电动汽车同时充电，为了消除同时充电的多辆电动汽车之间的影响，隔离型DC-DC变换器是一种更好的选择。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，***前端采用三电平拓扑结构对于输入电压高的应用场合也非常适用，***后端采用串联谐振变换器实现高频隔离作用，可以提高功率密度，可以满足绝大多数电动汽车的充电要求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，包括结合为一体的三电平降压变换器和串联谐振变换器，所述三电平降压变换器包括三电平功率变换模块和LC低通滤波器，三电平功率变换模块直接与LC低通滤波器串联；所述串联谐振变换器包括全桥逆变器及高频变压器和整流桥，LC低通滤波器右端直接与全桥逆变器连接，全桥逆变器的中点分别与高频变压器中的漏感Lr和谐振电容Cr连接，高频变压器二次侧与整流桥的两个桥臂中点相连，整流桥右端并联输出稳压电容。
其中，所述的三电平功率变换模块由两个输入稳压电容Cs1、Cs2，两个开关管Q1、Q2(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)和两个续流二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Ds1、Ds2构成，上桥臂开关管Q1与续流二极管Ds1串联然后与输入稳压电容Cs1并联，下桥臂开关管Q2与续流二极管Ds1串联同时与输入稳压电容Cs2并联，输入稳压电容Cs1、Cs2串联，输入稳压电容Cs1的上端为输入电源正极T，输入稳压电容Cs2的下端为输入电源负极B，上下两个桥臂串联，上端与输入电源正极T相连，下端与输入电源负极B相连，两个桥臂的中点与直流侧稳压电容Cs1、Cs2引出中点电位M连接，三电平功率变换模块的输入侧设有输入端口T、M、B，可以将T、M、B三个端口接入双极型直流母线的三个输出端口，也可以只将T、B两个端口接入单极型直流母线的输出端口，三电平功率变换模块输出侧直接与LC低通滤波器串联。
其中，所述的LC低通滤波器由2个对称的滤波电感Lf1、Lf2及一个滤波电容Cf组成，滤波电感Lf1、Lf2与滤波电容Cf串联，滤波电容Cf在滤波电感Lf1、Lf2的中间，从滤波电容Cf两端引出LC低通滤波器的输出端口1与端口2；LC低通滤波器左端与三电平变换模块相连构成三电平降压变换器，LC低通滤波器右端引出端1和端2直接与全桥逆变器两个并联桥臂两端相连。
其中，所述全桥逆变器包含两个桥臂，两个桥臂并联，其中一个桥臂由开关管S1、S3(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)，二极管D1、D3，并联电容C1、C3构成；另一个桥臂由开关管S2、S4，二极管D2、D4，并联电容C2、C4构成，开关管S1与S3串联，开关管S2和S4串联，两个桥臂的中点分别与高频变压器中的一次侧漏感Lr和谐振电容Cr连接。
其中，所述高频变压器为实际设备的等效结构，包括一次侧漏电感Lr，励磁电感Lm以及一个理想变压器，励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感Lr与谐振电容Cr串联，所述高频变压器二次侧的两个引出线分别与整流桥的两个并联桥臂中点连接。
其中，所述的整流桥由前桥臂和后桥臂并联组成，前桥臂由二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Dr1、Dr2串联构成，后桥臂由二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Dr3、Dr4串联构成，前桥臂和后桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连，整流桥右端并联输出稳压电容。
本发明具有以下有益效果：
1、能够在全负载范围内实现串联谐振变换器逆变侧主动式开关管的零电压开通，后端整流桥二极管的零电流关断，可以大大降低开关损耗，同时，高频变压器一次侧励磁电流会随着输出电压的调节变化而变化，减少环流提高效率；
2、***前端采用三电平结构，开关管承受的电压应力为整体直流输入电压的一半，该结构非常适合应用在输入电压高、大功率的场合，同时采用较低电压等级的功率开关管；
3、当接入双极性直流母线***中，前端三电平降压变换器通过调节上下开关管的直流调制比，能够对双极型直流母线输出功率的不平衡进行有效调节；
4、其前端三电平降压变换器采用载波移相控制能够增加开关等效频率，使得输出电感电流波纹频率为开关频率的二倍，可有效地减小输出低通滤波器的体积；
5、当变换器工作于恒流模式输出时，虽然输入到串联谐振变换器的电压是不断变化的，但是串联谐振变换器的输出电流为恒定值。
附图说明
图1是本发明实施例一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构的基本***结构图；
图2是本发明实施例一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构的电路拓扑结构图；
图3是本发明实施例一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构的前端三电平降压变换器拓扑结构图；
图4是本发明实施例一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构的后端串联谐振变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，包括结合为一体：三电平降压变换器1，可以与单极性或双极性直流母线相连，主要作用为调节整体输出电压和电流；串联谐振变换器2，主要作用为实现***的电气隔离功能；所述三电平降压变换器1包括三电平功率变换模块3和LC低通滤波器4，三电平功率变换模块3直接与LC低通滤波器4串联；所述串联谐振变换器2包括全桥逆变器5及高频变压器6和整流桥7，LC低通滤波器右端直接与全桥逆变器5连接，全桥逆变器5的中点分别与高频变压器6中的漏感Lr和谐振电容Cr连接，高频变压器6二次侧与整流桥7的两个桥臂中点相连，控整流桥7右端并联输出稳压电容。
所述的三电平功率变换模块3由两个输入稳压电容Cs1、Cs2，两个开关管Q1、Q2(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)和两个续流二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Ds1、Ds2构成，上桥臂开关管Q1与续流二极管Ds1串联然后与输入稳压电容Cs1并联，下桥臂开关管Q2与续流二极管Ds1串联同时与输入稳压电容Cs2并联，输入稳压电容Cs1、Cs2串联，输入稳压电容Cs1的上端为输入电源正极T，输入稳压电容Cs2的下端为输入电源负极B，上下两个桥臂串联，上端与输入电源正极T相连，下端与输入电源负极B相连，两个桥臂的中点与直流侧稳压电容Cs1、Cs2引出中点电位M连接，三电平功率变换模块3的输入侧设有输入端口T、M、B，可以将T、M、B三个端口接入双极型直流母线的三个输出端口，也可以只将T、B两个端口接入单极型直流母线的输出端口，三电平功率变换模块(3)输出侧直接与LC低通滤波器4串联。
所述的LC低通滤波器4由2个对称的滤波电感Lf1、Lf2及一个滤波电容Cf组成，滤波电感Lf1、Lf2与滤波电容Cf串联，滤波电容Cf在滤波电感Lf1、Lf2的中间，从滤波电容Cf两端引出LC低通滤波器的输出端口1与端口2；LC低通滤波器4左端与三电平变换模块相连构成三电平降压变换器1，LC低通滤波器右端引出端1和端2直接与全桥逆变器5两个并联桥臂两端相连。
所述全桥逆变器5包含两个桥臂，两个桥臂并联，其中一个桥臂由开关管S1、S3(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)二极管D1、D3，并联电容C1、C3构成；另一个桥臂由开关管S2、S4，二极管D2、D4，并联电容C2、C4构成，开关管S1与S3串联，开关管S2和S4串联，两个桥臂的中点分别与高频变压器6中的一次侧漏感Lr和谐振电容Cr连接。
所述高频变压器6为实际设备的等效结构，包括一次侧漏电感Lr，励磁电感Lm以及一个理想变压器，励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感Lr与谐振电容Cr串联，所述高频变压器二次侧的两个引出线分别与整流桥7的两个并联桥臂中点连接。
所述的整流桥7由前桥臂和后桥臂并联组成，前桥臂由二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Dr1、Dr2串联构成，后桥臂由二极管或开关管(绝缘栅双极晶体管IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等)Dr3、Dr4串联构成，前桥臂和后桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连，整流桥7右端并联输出稳压电容。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，其特征在于，包括结合为一体的三电平降压变换器(1)和串联谐振变换器(2)，所述三电平降压变换器(1)包括三电平功率变换模块(3)和LC低通滤波器(4)，三电平功率变换模块(3)直接与LC低通滤波器(4)串联；所述串联谐振变换器(2)包括全桥逆变器(5)及高频变压器(6)和整流桥(7)，LC低通滤波器右端直接与全桥逆变器(5)连接，全桥逆变器(5)的中点分别与高频变压器(6)中的漏感Lr和谐振电容Cr连接，高频变压器(6)二次侧与整流桥(7)的两个桥臂中点相连，整流桥(7)右端并联输出稳压电容。
2.如权利要求1所述的高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，其特征在于，所述的三电平功率变换模块(3)由两个输入稳压电容Cs1、Cs2，两个开关管Q1、Q2和两个续流二极管或开关管Ds1、Ds2构成，上桥臂开关管Q1与续流二极管或开关管Ds1串联然后与输入稳压电容Cs1并联，下桥臂开关管Q2与续流二极管或开关管Ds1串联同时与输入稳压电容Cs2并联，输入稳压电容Cs1、Cs2串联，输入稳压电容Cs1的上端为输入电源正极T，输入稳压电容Cs2的下端为输入电源负极B，上下两个桥臂串联，上端与输入电源正极T相连，下端与输入电源负极B相连，两个桥臂的中点与直流侧稳压电容Cs1、Cs2引出中点电位M连接，三电平功率变换模块(3)的输入侧设有输入端口T、M、B，三电平功率变换模块(3)输出侧直接与LC低通滤波器(4)串联。
3.如权利要求1所述的高频隔离型DC-DC双级功率变换***结构，其特征在于，所述的LC低通滤波器(4)由2个对称的滤波电感Lf1、Lf2及一个滤波电容Cf组成，滤波电感Lf1、Lf2与滤波电容Cf串联，滤波电容Cf在滤波电感Lf1、Lf2的中间，从滤波电容Cf两端引出LC低通滤波器的输出端口1与端口2；LC低通滤波器(4)左端与三电平功率变换模块相连构成三电平降压变换器(1)，LC低通滤波器右端引出端1和端2直接与全桥逆变器(5)两个并联桥臂两端相连。
4.如权利要求1所述的高频隔离型双级DC-DC功率变换***结构，其特征在于，所述全桥逆变器(5)包含两个桥臂，两个桥臂并联，其中一个桥臂由开关管S1、S3，二极管D1、D3，并联电容C1、C3构成；另一个桥臂由开关管S2、S4，二极管D2、D4，并联电容C2、C4构成，开关管S1与S3串联，开关管S2和S4串联，两个桥臂的中点分别与高频变压器(6)中的一次侧漏感Lr和谐振电容Cr连接。
5.如权利要求1所述的高频隔离型双级DC-DC功率变换***结构，其特征在于，所述高频变压器(6)为实际设备的等效结构，包括一次侧漏电感Lr，励磁电感Lm以及一个理想变压器，励磁电感Lm与其后理想变压器并联然后再与一次侧漏电感Lr与谐振电容Cr串联，所述高频变压器二次侧的两个引出线分别与整流桥(7)的两个并联桥臂中点连接。
6.如权利要求1所述的高频隔离型双级DC-DC功率变换***结构，其特征在于，所述的整流桥(7)由前桥臂和后桥臂并联组成，前桥臂由二极管或开关管Dr1、Dr2串联构成，后桥臂由二极管或开关管Dr3、Dr4串联构成，前桥臂和后桥臂的中点引出线与高频变压器二次侧输出相连，整流桥(7)右端并联输出稳压电容。
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