CN112532058A - 一种串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路 - Google Patents

一种串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联输入型模块化组合式直流变换器无源均压电路，该无源均压方法由无源均压电路实现，无源电路由基本无源元件电感、电容等组成，具有耦合电感、电容、电感电容组合等多种形式，每一种无源均压电路具有不同的连接方式。被均压的功率模块包括依次相连的直流输入电路、逆变电路、谐振电路、隔离电路和整流电路；各功率模块的连接形式为输入串联输出并联或者输入串联输出串联。本发明实现了串联模块间实时动态均压，均压效果好，结构简单，无需任何额外控制方法和有源元件，且不会对原电路性能产生影响。

Description

一种串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路
技术领域
本发明涉及模块化组合式中压直流变换***，适合于中压输入中压输出以及中压输入低压输出的直流应用场合。
背景技术
随着新能源技术的发展与广泛应用，缓解了能源危机，但新型可再生能源分布较为分散，为了实现新能源发电灵活、可靠接入，大多数新能源分布式发电装置、储能装置以及越来越多的负载使用公共直流母线汇集能量。由于不同类型的新能源装置直流电压等级不同，需要直流变换器将高低压直流电网实现互联。中压直流变换***作为不同电压等级直流***的接口在高低压直流电网互联、新能源直流汇聚及海岛供电等方面具有广阔的应用前景。
目前，基于模块化组合式的输入串联输出并联型直流变换器以及输入串联输出串联型直流变换器因其结构模块化，集成度高等优点，得到了广泛的关注与研究。但是串联输入结构负载为恒功率情况下，由于其负阻抗特性，容易因扰动导致各功率模块输入电压发散，往往需要双环、三环控制，或者其他有源均压电路，增加了控制的复杂性、硬件的设计难度、整体可靠性降低。因此，提出一种串联输入型模块化组合式直流变换器无源均压电路，能够极大地简化硬件设计难度，提高串联结构均压能力，实现各模块功率均分，具有极高的工程应用价值及市场价值。
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种串联输入型模块化组合式直流变换器无源均压电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，包括若干串联连接的电路模块；所述电路模块包括与输入电路后级电连接的逆变电路和与输出电路前端电连接的整流电路；逆变电路和输出电路之间电连接有串联的谐振电路和隔离电路；相邻电路模块通过无源均压支路实现无源均压；无源均压支路一端电连接一个电路模块的隔离电路，另一端电连接另一个电路模块的隔离电路。
进一步的改进，所述隔离电路为高频变压器。
进一步的改进，所述无源均压支路为耦合电感；耦合电感具有两个绕组，其中一个绕组串联在一个电路模块交流回路中，电流由同名端流入；另一个绕组串联在相邻电路模块的交流回路中，电流从异名端流入。
进一步的改进，所述耦合电感位置串联在高频变压器原边，或者高频变压器副边。
进一步的改进，所述无源均压支路为均压电容；均压电容一端连接在一个电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处；相邻电路模块间连接一个均压电容。
进一步的改进，所述无源均压支路为无极性电容与高频电感串联形成的电感电容串联支路；电感电容串联支路一端连接在的谐振电路与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处。
进一步的改进，所述直流变换器为用于输入串联输出并联结构的模块化组合式变换器或输入串联输出串联结构的模块化组合式变换器，直流变换器的功率模块控制方法为共占空比控制或者开环控制；各电路模块间因控制信号、驱动电路引起的逆变电压差异，均由无源均压支路实现逐周期精确抑制，保证各电路模块输入电压一致性。
进一步的改进，所述输入电路包括至少一个并联在输入端口的电容；所述逆变电路包含至少两个开关管，并联在输入电路后级；所述谐振电路由电感和电容构成，谐振电路连接在变压器原边或副边；隔离电路一次侧串联在谐振电路中，二次侧连接整流电路；整流电路包含至少一个二极管，输出端并联滤波电容。
本发明的适用场合为：输入串联输出并联结构和输入串联输出串联结构的模块化组合式变换器，其功率模块控制方法为共占空比控制或者开环控制。各模块间因控制信号、驱动电路引起的逆变电压差异，可由均压支路实现逐周期精确抑制，保证各模块输入电压一致性。
与现有技术相比，本发明所具有的显著效果为：
1、本发明仅需采用基本的无源器件即可达到较好地均压效果；硬件结构简单，避免了有源均压的控制复杂性和功率器件增多所带来的成本问题。
2、可靠性高；无源器件相对于额外的有源均压电路，无需额外的均压算法和控制脉冲，故障率低。
3、可实现逐周期动态均压；无源均压因为其工作原理，可实现逐开关周期动态均压，对于因为控制器脉冲微小差异、驱动脉冲时延等引起的误差，也可以实现抑制。
4、形式多样，易于实现，隔离电源原副边均可以实现均压；具体的均压方式或者元件可以依据不同结构灵活选择，避免了原边侧电压过高引起的器件电压应力过高问题。
附图说明
图1是本发明原边耦合电感均压的电路结构示意图；
图2是本发明副边耦合电感均压的电路结构示意图；
图3是本发明原边电容均压的电路结构示意图；
图4是本发明副边电容均压的电路结构示意图；
图5是原边电感电容串联回路均压的电路结构示意图；
图6是副边电感电容串联回路均压的电路结构示意图；
图7是逆变电路的可选电路图；
图8是谐振电路的可选电路图；
图9是整流电路的可选电路图；
图10是原边耦合电感均压效果图；
图11是副边耦合电感均压效果图；
图12是原边电容均压效果图；
图13是副边电容均压效果图；
图14是原边电感电容串联支路均压效果图；
图15是副边电感电容串联支路均压效果。
具体实施方式：
图1-6所示为本发明实施例的一种串联输入型模块化组合式直流变换器无源均压电路示意图，该变换器由多模块组成，每个模块包括直流输入电路、逆变电路、谐振电路、无源均压电路、隔离电路和整流电路。
所述输入电路包括至少一个并联在输入端口的电容；
所述逆变电路包含至少两个开关管，并联在输入电路后级；
所述谐振电路由电感和电容构成，谐振电路可连接在变压器原边或副边；
所述无源均压电路具有多种形式，包含一个耦合电感支路，或者一个电容支路，或者电感与电容串并联组合形成的支路；
所述隔离电路由高频变压器构成，且变压器参数基本一致，隔离电路一次侧串联在谐振电路中，二次侧连接整流电路；
所述整流电路包含至少一个二极管，输出端并联滤波电容；
所述无源均压支路的形式之一为耦合电感；耦合电感具有两个绕组，其中一个绕组串联在一个模块交流回路中，电流由同名端流入；另一个绕组串联在相邻模块的交流回路中，电流从异名端流入；相邻模块间连接一个耦合电感。
所述耦合电感位置可以串联在变压器原边，或者变压器副边，具有类似的均压效果。
所述无源均压支路的形式之二为无极性电容；均压电容一端连接在一个模块谐振电容(或谐振电感)与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻模块谐振电容(或谐振电感)与高频变压器连接点处；相邻模块间连接一个均压电容。
所述无源均压支路的形式之三为无极性电容与常规高频电感串联形成支路；电感电容串联支路一端连接在一个模块谐振电容(或谐振电感)与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻模块谐振电容(或谐振电感)与高频变压器连接点处；相邻模块间连接一个电感电容支路。
所述均压电路的适用场合为：输入串联输出并联结构和输入串联输出串联结构的模块化组合式变换器，其功率模块控制方法为共占空比控制或者开环控制。各模块间因控制信号、驱动电路引起的逆变电压差异，可由均压支路实现逐周期精确抑制，保证各模块输入电压一致性。
图7-9所示为本发明实施例的一种串联输入型模块化组合式直流变换器内部功率单元示意图，逆变电路、谐振电路、整流电路等每种功能的电路具有多种不同实现形式，本发明无源均压方法适用于图中各种功率单元的组合电路。
图10-15是本发明实施例的一种串联输入型模块化组合式直流变换器无源均压电路仿真效果图，仿真采用两模块串联输入，并联输出，直流侧总输入电压为4kVDC，两模块存在谐振回路和变压器参数差异，分别对比有无均压措施情况下两模块输入电压均压情况。
图10为原边耦合电感均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为60V，Vin1VB、Vin2VB为模块1、2原边采用耦合电感均压的输入电压，电压差异最大为18V，具有较好均压效果；图11为副边耦合电感均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为60V，Vin1CIVB、Vin2CIVB为模块1、2副边采用耦合电感均压的输入电压，电压差异最大为20V，具有较好均压效果。
图12原边电容均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为150V，Vin1PCVB、Vin2PCVB为模块1、2原边采用电感电容串联支路均压的输入电压，电压差异最大为25V，具有较好均压效果；图13为副边电容均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为150V，Vin1SCVB、Vin2SCVB为模块1、2副边采用电感电容串联支路均压的输入电压，电压差异最大为60V，具有一定的均压效果。
图14为原边电感电容串联支路均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为60V，Vin1LCVB、Vin2LCVB为模块1、2原边采用电感电容串联支路均压的输入电压，电压差异最大为16V，具有较好均压效果；图15为副边电感电容串联支路均压效果，图中Vin1NoVB、Vin2NoVB为模块1、2无均压措施情况下的输入电压，电压差异最大为150V，Vin1SLCVB、Vin2SLCVB为模块1、2副边采用电感电容串联支路均压的输入电压，电压差异最大为30V，具有较好均压效果。
仿真结果表明本发明能够实现输入均压目的。

Claims (8)

1.一种串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，包括若干串联连接的电路模块；所述电路模块包括与输入电路后级电连接的逆变电路和与输出电路前端电连接的整流电路；逆变电路和输出电路之间电连接有串联的谐振电路和隔离电路；相邻电路模块通过无源均压支路实现无源均压；无源均压支路一端电连接一个电路模块的隔离电路，另一端电连接另一个电路模块的隔离电路。
2.如权利要求1所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述隔离电路为高频变压器。
3.如权利要求2所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述无源均压支路为耦合电感；耦合电感具有两个绕组，其中一个绕组串联在一个电路模块交流回路中，电流由同名端流入；另一个绕组串联在相邻电路模块的交流回路中，电流从异名端流入。
4.如权利要求3所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述耦合电感位置串联在高频变压器原边，或者高频变压器副边。
5.如权利要求2所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述无源均压支路为均压电容；均压电容一端连接在一个电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处；相邻电路模块间连接一个均压电容。
6.如权利要求1所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述无源均压支路为无极性电容与高频电感串联形成的电感电容串联支路；电感电容串联支路一端连接在的谐振电路与高频变压器连接点处，另一端连接在相邻电路模块的谐振电路与高频变压器连接点处。
7.如权利要求1所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述直流变换器为用于输入串联输出并联结构的模块化组合式变换器或输入串联输出串联结构的模块化组合式变换器，直流变换器的功率模块控制方法为共占空比控制或者开环控制；各电路模块间因控制信号、驱动电路引起的逆变电压差异，均由无源均压支路实现逐周期精确抑制，保证各电路模块输入电压一致性。
8.如权利要求2所述的串联输入型模块化组合式直流变换器的无源均压电路，其特征在于，所述输入电路包括至少一个并联在输入端口的电容；所述逆变电路包含至少两个开关管，并联在输入电路后级；所述谐振电路由电感和电容构成，谐振电路连接在变压器原边或副边；隔离电路一次侧串联在谐振电路中，二次侧连接整流电路；整流电路包含至少一个二极管，输出端并联滤波电容。
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