一种DC-DC变换电路、其控制方法以及固态变压器技术

本发明专利技术公开了一种DC‑DC变换电路、其控制方法以及固态变压器，所述DC‑DC变换电路包括电压检测电路、电流检测电路、控制器、驱动电路、DC‑AC变换器、AC‑DC变换器及带自耦抽头的高频变压器。本发明专利技术能够在整个负载变化范围内得到高效率。

【技术实现步骤摘要】
一种DC-DC变换电路、其控制方法以及固态变压器
本专利技术属于电力电子
，涉及一种DC-DC变换电路、其控制方法以及固态变压器。
技术介绍
过去十年，由于能源短缺和环境污染问题，可再生能源分布式发电被广泛关注。然而，可再生能源固有的间歇性和随机性给传统电网管理模式下的分布式发电并网方式提出了严峻的挑战。为了对整个电网进行最优化管理，专家学者提出了多种实现智能电网概念的方法，其中“能源互联网”是具有代表性的一种。固态变压器在“能源互联网”中被称为“能量路由器”，它由电力电子器件和高频变压器组成，不仅可以实现传统电力变压器的功能，还具有体积小、重量轻、抗负载扰动、能量智能管理以及功率密度高等优势。到目前为止，研究者所提出的固态变压器拓扑按照能量变换过程中是否存在中间直流环节可大致分为两类。AC-AC直接变换型拓扑使用更少的开关器件，结构更简单，体积更小，但是二次侧电压、电流波形基本上是对一次侧波形的还原，无法起到改善电能质量的作用。AC-DC-AC型拓扑中，虽然功率变换环节和开关器件数量增多，但是结合脉冲宽度调制(PWM)方法和其他适用的控制策略，可以对系统的电压、电流及功率进行灵活调节，因此代表了未来的发展趋势。为了设计适用于输配电网电压等级的固态变压器工程化样机，可以采取两种措施。一是开发具有高耐压等级的新型开关器件，如碳化硅器件和氮化镓器件。用这种方法，少量器件串联连接即可满足电压等级需求，同时成熟的控制策略也可以移植过来继续使用。然而，新型开关器件目前比较昂贵(比传统硅开关器件贵10-20倍)，大规模应用尚不现实。另一条路线是应用由目前普遍使用的硅开关器件构成的多电平变换器和模块级联型变换器。多电平变换器的工作方式相对复杂，并且随着飞跨电容和箝位二极管数量的增多，系统可靠性急剧下降。模块级联型变换器在系统可靠性、模块特性一致性以及故障容错等方面显示出优越性，可以显著提高系统的紧凑性和工作效率。目前关于模块级联型固态变压器的研究工作主要集中在输入电压的均压和输出电流的均流。但是，国内外研究者所提出的固态变压器方案距离实际应用都还有差距，一个重要原因是通过升高工作频率来减小变压器体积的同时带来铁芯损耗与电力电子开关器件损耗的大幅增长，因此与传统电力变压器相比，固态变压器效率较低。为了降低电力电子开关器件的开关损耗，采用谐振软开关的方式，使器件工作在零电压开关(ZVS)状态。软开关技术的应用可以降低变换器的开关损耗，提高变换器的工作效率，为变换器的高频化提供可能性，提高功率密度和动态性能。电力电子开关器件的ZVS工作状态是通过换流电感中的循环能量为谐振电容充放电实现的。循环能量随着换流电感的增大而增大，同时也会随着负载电流的增大而增大。现有技术中均采用固定的变压器绕组漏感或外接电感作为换流电感，在轻负载时，负载电流小，换流电感不够大，循环能量不足会导致电力电子开关器件退出ZVS工作状态；在重负载时，负载电流大，而换流电感保持不变，循环能量过大引起较大的附加通态损耗。同时，轻负载时系统损耗的主要部分是高频变压器的铁芯损耗，而现有技术均没有对此进行优化。综上所述，现有技术只能在很窄的负载范围内获得高效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种DC-DC变换电路、其控制方法以及固态变压器，该电路、其控制方法以及固态变压器能够在整个负载变化范围内得到高效率。为达到上述目的，本专利技术DC-DC变换电路，其特征在于，包括信号输入端、信号输出端、控制器、驱动电路、DC-AC变换器、AC-DC变换器及带自耦抽头的高频变压器、用于检测AC-DC变换器输出端的电压的电压检测电路、用于检测变换器输出端的电流的电流检测电路；DC-AC变换器的输入端与信号输入端相连接，AC-DC变换器的输出端与信号输出端相连接；DC-AC变换器的a桥臂中点与高频变压器中初级线圈的一端相连接，DC-AC变换器的b桥臂中点与高频变压器中初级线圈的自耦抽头相连接，DC-AC变换器的c桥臂中点与高频变压器中初级线圈的另一端相连接；AC-DC变换器的d桥臂中点与高频变压器中次级线圈的一端相连接，AC-DC变换器的e桥臂中点与高频变压器中次级线圈的自耦抽头相连接，AC-DC变换器的f桥臂中点与高频变压器中次级线圈的另一端相连接；电压检测电路的输出端及电流检测电路的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与驱动电路的输入端相连接，驱动电路的输出端与DC-AC变换器的控制端及AC-DC变换器的控制端相连接。所述DC-AC变换器包括第一IGBT管、第二IGBT管、第三IGBT管、第四IGBT管、第五IGBT管、第六IGBT管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及第六电容；所述第一二极管的阴极及阳极分别与第一IGBT管的集电极及发射极相连接，第一电容的两端分别与第一IGBT管的集电极及发射极相连接；第二二极管的阴极及阳极分别与第二IGBT管的集电极及发射极相连接，第二电容的两端分别与第二IGBT管的集电极及发射极相连接；第三二极管的阴极及阳极分别与第三IGBT管的集电极及发射极相连接，第三电容的两端分别与第三IGBT管的集电极及发射极相连接；第四二极管的阴极及阳极分别与第四IGBT管的集电极及发射极相连接，第四电容的两端分别与第四IGBT管的集电极及发射极相连接；第五二极管的阴极及阳极分别与第五IGBT管的集电极及发射极相连接，第五电容的两端分别与第五IGBT管的集电极及发射极相连接；第六二极管的阴极及阳极分别与第六IGBT管的集电极及发射极相连接，第六电容的两端分别与第六IGBT管的集电极及发射极相连接；第一IGBT管的发射极与第二IGBT管的集电极及高频变压器中初级线圈的一端相连接，第三IGBT管的发射极与第四IGBT管的集电极及高频变压器中初级线圈的自耦抽头相连接，第五IGBT管的发射极与第六IGBT管的集电极及高频变压器中初级线圈的另一端相连接；驱动电路的输出端与第一IGBT管的栅极、第二IGBT管的栅极、第三IGBT管的栅极、第四IGBT管的栅极、第五IGBT管的栅极及第六IGBT管的栅极相连接；第一IGBT管的集电极、第三IGBT管的集电极及第五IGBT管的集电极与信号输入端的正极相连接；第二IGBT管的发射极、第四IGBT管的发射极及第六IGBT管的发射极与信号输入端的负极相连接。所述的AC-DC变换器包括第七IGBT管、第八IGBT管、第九IGBT管、第十IGBT管、第十一IGBT管、第十二IGBT管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容及第十二电容；所述第七二极管的阴极及阳极分别与第七IGBT管的集电极及发射极相连接，第七电容的两端分别与第七IGBT管的集电极及发射极相连接；第八二极管的阴极及阳极分别与第八IGBT管的集电极及发射极相连接，第八电容的两端分别与第八IGBT管的集电极及发射极相连接；第九二极管的阴极及阳极分别与第九IGBT管的集电极及发射极相连接，第九电容的两端分别与第九IGBT管的集电极及发射极相连接；第十二极管的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DC‑DC变换电路，其特征在于，包括信号输入端、信号输出端、控制器、驱动电路、DC‑AC变换器、AC‑DC变换器及带自耦抽头的高频变压器(HFT)、用于检测AC‑DC变换器输出端的电压的电压检测电路、用于检测AC‑DC变换器输出端的电流的电流检测电路；DC‑AC变换器的输入端与信号输入端相连接，AC‑DC变换器的输出端与信号输出端相连接；DC‑AC变换器的a桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的一端相连接，DC‑AC变换器的b桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的自耦抽头相连接，DC‑AC变换器的c桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的另一端相连接；AC‑DC变换器的d桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的一端相连接，AC‑DC变换器的e桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的自耦抽头相连接，AC‑DC变换器的f桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的另一端相连接；电压检测电路的输出端及电流检测电路的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与驱动电路的输入端相连接，驱动电路的输出端与DC‑AC变换器的控制端及AC‑DC变换器的控制端相连接。

【技术特征摘要】
1.一种DC-DC变换电路的控制方法，其特征在于，基于DC-DC变换电路(4)，所述DC-DC变换电路包括信号输入端、信号输出端、控制器、驱动电路、DC-AC变换器、AC-DC变换器及带自耦抽头的高频变压器(HFT)、用于检测AC-DC变换器输出端的电压的电压检测电路、用于检测AC-DC变换器输出端的电流的电流检测电路；DC-AC变换器的输入端与信号输入端相连接，AC-DC变换器的输出端与信号输出端相连接；DC-AC变换器的a桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的一端相连接，DC-AC变换器的b桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的自耦抽头相连接，DC-AC变换器的c桥臂中点与高频变压器(HFT)中初级线圈的另一端相连接；AC-DC变换器的d桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的一端相连接，AC-DC变换器的e桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的自耦抽头相连接，AC-DC变换器的f桥臂中点与高频变压器(HFT)中次级线圈的另一端相连接；电压检测电路的输出端及电流检测电路的输出端与控制器的输入端相连接，控制器的输出端与驱动电路的输入端相连接，驱动电路的输出端与DC-AC变换器的控制端及AC-DC变换器的控制端相连接；包括以下步骤：电流检测电路实时获取AC-DC变换器输出端的负载电流信息，并将AC-DC变换器输出端的负载电流信息转发至控制器中，控制器根据AC-DC变换器输出端的负载电流信息得预设工频周期内负载电流有效值的平均值；当预设工频周期内负载电流有效值的平均值小于最小预设值时，控制器发出第一驱动信号，驱动电路根据所述第一驱动信号使DC-AC变换器的工作桥臂设置为a桥臂及c桥臂，同时使AC-DC变换器的工作桥臂设置为d桥臂及f桥臂；当预设工频周期内负载电流有效值的平均值大于等于最小预设值且小于等于最大预设值时，控制器发出第二驱动信号，驱动电路根据所述第二驱动信号使DC-AC变换器的工作桥臂设置为a桥臂及b桥臂，同时使AC-DC变换器的工作桥臂设置为d桥臂及e桥臂；当预设工频周期内负载电流有效值的平均值大于最大预设值时，控制器产生第三驱动信号，驱动电路根据所述第三驱动信号使DC-AC变换器的工作桥臂设置为b桥臂及c桥臂，同时使AC-DC变换器的工作桥臂设置为e桥臂及f桥臂。2.根据权利要求1所述的DC-DC变换电路的控制方法，其特征在于，所述DC-AC变换器包括第一IGBT管(S1)、第二IGBT管(S2)、第三IGBT管(S3)、第四IGBT管(S4)、第五IGBT管(S5)、第六IGBT管(S6)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)及第六电容(C6)；所述第一二极管(D1)的阴极及阳极分别与第一IGBT管(S1)的集电极及发射极相连接，第一电容(C1)的两端分别与第一IGBT管(S1)的集电极及发射极相连接；第二二极管(D2)的阴极及阳极分别与第二IGBT管(S2)的集电极及发射极相连接，第二电容(C2)的两端分别与第二IGBT管(S2)的集电极及发射极相连接；第三二极管(D3)的阴极及阳极分别与第三IGBT管(S3)的集电极及发射极相连接，第三电容(C3)的两端分别与第三IGBT管(S3)的集电极及发射极相连接；第四二极管(D4)的阴极及阳极分别与第四IGBT管(S4)的集电极及发射极相连接，第四电容(C4)的两端分别与第四IGBT管(S4)的集电极及发射极相连接；第五二极管(D5)的阴极及阳极分别与第五IGBT管(S5)的集电极及发射极相连接，第五电容(C5)的两端分别与第五IGBT管(S5)的集电极及发射极相连接；第六二极管(D6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青山，梁得亮，黄龙飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61