CN106549567A - 模块化高压电感和电容拓扑电路 - Google Patents

模块化高压电感和电容拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化高压电感和电容拓扑电路，包括：高压电容拓扑模块和高压电感拓扑模块，其中：所述高压电容拓扑模块包括多个依次串联的半桥模块；所述高压电感拓扑模块包括电感和多个依次串联的全桥模块。本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路可通过串联更多的模块来增加电压等级，具有易扩展性和低检修成本的优点，并且整体电路结构简单，回避了传统高压电感电容电路的设计困难。

Description

模块化高压电感和电容拓扑电路
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体地，涉及一种模块化高压电感和电容拓扑电路。
背景技术
为了将不同电压等级的高压直流输电***互联形成直流电网，需要高压大容量的直流变压器(通常又称为DC/DC变换器)。而在特高压DC/DC变换器中，由于开关频率一般较低，需要应用大容值高压电容和大感值电感。但是大容值高压电容需要数百个电容模块串并联，控制非常复杂较难实现；而大感值高压电感的设计和制造同样存在很大的困难。
下面是对现有技术的检索以及存在的缺陷：
申请(专利)号：WO2013026477，名称:Bidirectional unisolated converterbased on cascaded cells的文献中提出基于MMC(Modular Multilevel Converter,MMC)的非隔离型直流变压器拓扑，该直流变压器中链式模块输出电压包含直流分量和交流分量，它通过交直流功率守恒来实现子模块电容电压平衡，其中交流分量按正弦波调制。与隔离型DC-AC-DC变换器相比，它不需要交流变压器，且不需要两级变换，因此成本更低。但为了实现子模块电容电压平衡，该直流变压器中存在较大的交流环流，变压器损耗较大，而且所需的滤波电感感值很大，使得变压器的整体体积较大。同样由于该拓扑只采用了半桥型子模块，其并不能实现电压极性反转，不适用与LCC/VSC互联。此外，为了滤除输出电流波动，该直流变压器需要一个很大感值的高压滤波电感，这导致该拓扑无法应用在特高压领域。
名称为：超级电容串联模组的一种新型电压均衡和检测方法，发表于电力电子期刊的文献提出了一个合理的电能存储和释放的解决方案。然而，超级电容的工作电压通常被限制在一个设定的值，故需要将多个超级电容单体串联以获得更高的电仄。在这种串联结构中单体的制造公差将导致每个单体上的压降不同。因此，较弱的单体将承受过电压。这种不平衡的电压将导致单体的寿命不一致。因此，有必要对超级电容器单体做均压处理。并且上述文献中的技术方案需要设置特殊的驱动电路，控制辅助，随着串联电容个数的增加，控制电路的复杂度也会随之增加，因此不适用于数百个电容的串联。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化高压电感和电容拓扑电路。
根据本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路，包括：高压电容拓扑模块和高压电感拓扑模块，其中：所述高压电容拓扑模块包括多个依次串联的半桥模块；所述高压电感拓扑模块包括电感和多个依次串联的全桥模块。
优选地，所述半桥模块包括：包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一二极管、第二二极管；电容的正极与第一功率开关管集电极、第一二极管负极相连；第一功率开关管发射极、第一二极管正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成半桥模块的一端；第二功率开关管发射极、第二二极管正极均连接至电容的负极并构成半桥模块的另一端。
优选地，所述全桥模块包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；电容的正极分别连接第一功率开关管的集电极、第三功率开关管的集电极、第一二极管的负极、第二二极管的负极；第一功率开关管的发射极、第一二极管的正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成所述全桥模块的一端；第三功率开关管的发射极、第三二极管的正极与第四功率开关管集电极、第四二极管负极相连并构成所述全桥模块的另一端；第二功率开关管的发射极、第二二极管正极、第四功率开关管发射极、第四二极管正极均连接至电容的负极。
优选地，多个依次串联的全桥模块构成一个总全桥结构，所述总全桥结构的一端与所述高压电感拓扑模块中的电感的一端相连，总全桥结构的另一端、电感的另一端分别构成高压电感拓扑模块的两端。
优选地，第一功率开关管的基极、第二功率开关管的基极、第三功率开关管的基极、第四功率开关管的基极与PWM输出模块的输出端相连，所述PWM输出模块用于输出两组电平的脉冲波，所述脉冲波能够决定第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管的开启与关闭。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路可通过串联更多的模块来增加电压等级，具有易扩展性和低检修成本的优点。
2、本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路，结构简单，回避了传统高压电感电容电路的设计困难。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为采用半桥模块时的高压电容拓扑电路图；
图2为采用全桥模块时的高压电感拓扑电路图；
图3为实施例1中的高压DC/DC变换器电路示意图；
图4为实施例2中的高压DC/DC变换器电路示意图；
图5为实施例3中的高压DC/DC变换器电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路，包括：高压电容拓扑模块和高压电感拓扑模块，其中：所述高压电容拓扑模块包括多个依次串联的半桥模块；所述高压电感拓扑模块包括电感和多个依次串联的全桥模块。
所述半桥模块包括：包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一二极管、第二二极管；电容的正极与第一功率开关管集电极、第一二极管负极相连；第一功率开关管发射极、第一二极管正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成半桥模块的一端；第二功率开关管发射极、第二二极管正极均连接至电容的负极并构成半桥模块的另一端。
所述全桥模块包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；电容的正极分别连接第一功率开关管的集电极、第三功率开关管的集电极、第一二极管的负极、第二二极管的负极；第一功率开关管的发射极、第一二极管的正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成所述全桥模块的一端；第三功率开关管的发射极、第三二极管的正极与第四功率开关管集电极、第四二极管负极相连并构成所述全桥模块的另一端；第二功率开关管的发射极、第二二极管正极、第四功率开关管发射极、第四二极管正极均连接至电容的负极。
多个依次串联的全桥模块构成一个总全桥结构，所述总全桥结构的一端与所述高压电感拓扑模块中的电感的一端相连，总全桥结构的另一端、电感的另一端分别构成高压电感拓扑模块的两端。
第一功率开关管的基极、第二功率开关管的基极、第三功率开关管的基极、第四功率开关管的基极与PWM输出模块的输出端相连，所述PWM输出模块用于输出两组电平的脉冲波，所述脉冲波能够决定第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管的开启与关闭。
本发明提供的模块化高压电感和电容拓扑电路，采用半桥模块时的高压电容拓扑电路如图1所示，包括：多个串联的半桥型子模块，其中半桥型子模块由低压电容Csm，和上下两个功率开关管：S1和S2组成。
采用全桥模块时的高压电感拓扑电路如图2所示，包括：多个串联的全桥型子模块与一个低压电感Ls，其中全桥子模块由低压电容Csm，和四个功率开关管：S1～S4组成。
下面结合具体实施例对本发明的应用做更加详细的说明。
实施例1
应用本发明中的模块化高压电感和电容拓扑电路替换传统buck变换器中的高压滤波电感，可得到如图3所示的DC/DC拓扑，图3中S1和S2为单只功率开关管或多只功率开关管串联。全桥型子模块链输出交流方波使得电感Ls两端电压为零，因此滤波电感Ls的感值可大大降低，同时其承受的电压很小。
实施例2
应用本发明中的模块化高压电感和电容拓扑电路替换基于链式子模块的非隔离型DC/DC变换器中的高压电感和电容，可得到图4所示的拓扑，图中La1和La2为桥臂电感。高压电容拓扑中的半桥型模块链输出直流电压，高压电感拓扑中的全桥型模块链输出交流电压。
实施例3
应用本发明中的模块化高压电感和电容拓扑电路替换基于链式子模块的非隔离型DC/DC变换器中的高压电感，可得到图5所示的拓扑，图中La1和La2为桥臂电感。高压电感拓扑中的全桥型模块链输出交流电压，使得Ls的感值大大减小。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种模块化高压电感和电容拓扑电路，其特征在于，包括：高压电容拓扑模块和高压电感拓扑模块，其中：所述高压电容拓扑模块包括多个依次串联的半桥模块；所述高压电感拓扑模块包括电感和多个依次串联的全桥模块。
2.根据权利要求1所述的模块化高压电感和电容拓扑电路，其特征在于，所述半桥模块包括：包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第一二极管、第二二极管；电容的正极与第一功率开关管集电极、第一二极管负极相连；第一功率开关管发射极、第一二极管正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成半桥模块的一端；第二功率开关管发射极、第二二极管正极均连接至电容的负极并构成半桥模块的另一端。
3.根据权利要求1所述的模块化高压电感和电容拓扑电路，其特征在于，所述全桥模块包括：电容、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；电容的正极分别连接第一功率开关管的集电极、第三功率开关管的集电极、第一二极管的负极、第二二极管的负极；第一功率开关管的发射极、第一二极管的正极与第二功率开关管集电极、第二二极管负极相连并构成所述全桥模块的一端；第三功率开关管的发射极、第三二极管的正极与第四功率开关管集电极、第四二极管负极相连并构成所述全桥模块的另一端；第二功率开关管的发射极、第二二极管正极、第四功率开关管发射极、第四二极管正极均连接至电容的负极。
4.根据权利要求1所述的模块化高压电感和电容拓扑电路，其特征在于，多个依次串联的全桥模块构成一个总全桥结构，所述总全桥结构的一端与所述高压电感拓扑模块中的电感的一端相连，总全桥结构的另一端、电感的另一端分别构成高压电感拓扑模块的两端。
5.根据权利要求2或3所述的模块化高压电感和电容拓扑电路，其特征在于，第一功率开关管的基极、第二功率开关管的基极、第三功率开关管的基极、第四功率开关管的基极与PWM输出模块的输出端相连，所述PWM输出模块用于输出两组电平的脉冲波，所述脉冲波能够决定第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管的开启与关闭。
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