一种隔离与变换模块、电压变换与功率传输电路和SST制造技术

本申请公开了一种隔离与变换模块，包括：变压器、上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源，上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源分别连接于变压器的两端，由于该隔离与变换模块复合利用变压器，变压器的励磁电感还可作为扼流电感，将扼流电感与变压器集成，使得本申请的器件数量及成本大大降低；又由于电力电子变换电路采用子模块串联构成的可控电压源，子模块可均分高电压，减小了子模块所需承受的电压；同时通过控制可控电压源吸收的有功功率为零，使得电力电子变换电路本身保持电压稳定，可更简洁实现直流或交流电压到高频电压的变换以及功率传输。相应地，本申请还提供了一种包括该隔离与变换模块的电压变换与功率传输电路和SST。

【技术实现步骤摘要】
一种隔离与变换模块、电压变换与功率传输电路和SST
本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种隔离与变换模块、电压变换与功率传输电路和SST。
技术介绍
电力电子变压器(SST)，先通过电力电子变换将工频电压变换为高频电压，再利用体积较小的中高频变压器实现电气隔离与电压匹配，最后再利用电力电子变换为将高频电压变为所需电压形式，其基本结构如图1所示。电力电子变换电路可采用若干种变换模式，其目的是将输入端口输入的低频电压变换为高频变压，或将高频感应电压变换为低频电压。参考图1，以SST两端均为工频交流电压为例，SST的一次侧或二次侧的电力电子变换可采用单级AC/AC变换，也可采用二级变换，即先进行AC/DC变换，再进行DC/AC变换。由于SST的变压器工作于中高频，其工作频率远高于50Hz，变压器的体积较小，又由于两端采用了可控的电力电子电路，还可实现端口的电能质量控制，具有广阔的应用前景。图2显示了现有的SST几种具体实现方式。图2(a)中的SST将多个单级AC/AC环节进行了串联，以承受更高电压，但每个变换电路均需连接一个隔离变压器，需使用大量的隔离变压器，此外，每个单级AC/AC环节中需使用背靠背开关，因此器件数量也较多。图2(b)中的SST采用了模块化的AC/AC环节以承受高电压，且只需使用一个隔离变压器，但变换电路中的每个子模块必须使用全桥子模块(FB)，因此器件数量并未减少，且每个桥臂还需增加两个扼流电感，电感数量增加。图2(c)是目前得到广泛采用的SST结构，每一组变换电路均可实现低压到低压的变换，依次为AC/DC变换，DC/AC变换，中高频变压器，AC/DC变换、DC/AC变换，共五级。中高频变压器一次侧各模块串联以承受高电压，二次侧各模块并联以耐受大电流。该设计易于设计与扩容，但五级变换所需器件多，变换过程功率损耗大。图2(d)中的SST也为五级结构SST，不同之处在于一次侧采用了由半桥子模块(HB)构成的模块化的AC/DC单元以承受高电压，并产生较高直流电压供后续变换环节使用，但其每个桥臂上需要两个扼流电感，器件数量与损耗增加，且需使用大量的变压器。
技术实现思路
本申请提供一种隔离与变换模块以及包括该模块的电力电子变换电路和电力电子变压器，简化SST的变换过程，打破变换环节之间的相互约束，提高器件利用率与电路集成度。根据本申请第一方面，本申请提供一种隔离与变换模块，包括：变压器、上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源；所述变压器一次侧设置有第一绕组和第二绕组，其二次侧设置有第三绕组；第一绕组的异名端和第二绕组的同名端相连接，并将连接点作为所述隔离与变换模块的端口c，所述第三绕组的两端作为所述隔离与变换模块的端口d、e，第一绕组的同名端与上桥臂可控电压源的一端相连接，上桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口a，第二绕组的异名端与下桥臂可控电压源的一端相连接，下桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口b；所述端口a、b、c用于作为外部电压输入端，所述端口d、e用于作为输出高频感应交流电压的输出端；上、下桥臂可控电压源均包括储能元件，可分别输出可变电压vup、vdown，vup、vdown至少包括两种不同频率的主导电压，使得所述上、下桥臂可控电压源的平均有功功率保持为零。在一些实施例中，vup和vdown在稳态时包含三种不同频率主导电压v1、v2、v3，满足：其中，V1、V2、V3分别表示v1、v2、v3对应的幅值，I1、I2、I3分别表示由v1、v2、v3与端口a、b、c输入的外部电压互相激励而产生的电流在一次侧对应的电流分量i1、i2、i3的幅值；Is表示端口d、e产生的高频感应电流is的幅值，K表示变压器变比，表示v1、v2、v3与i1、i2、i3对应的相位差。在一些实施例中，v1、v2、v3的频率分别可表示为ω1、ω2、ω3，其中，ω1与端口a、b输入的外部电压频率相同，ω2与端口c输入的外部电压频率相同，ω3为高频。在一些实施例中，上、下桥臂可控电压源包括至少两个串联的子模块，所述子模块包括：桥式电路和储能元件，所述桥式电路与储能元件并联，所述子模块设置有与外部控制模块相连接的控制端口，该控制端口用于接收控制信号，储能元件用于缓存能量，桥式电路根据控制信号改变子模块的工作状态，使得储能元件充电或放电。在一些实施例中，所述第一绕组和第二绕组的线圈匝数相同。根据本申请第二方面，本申请提供一种电力电子变压器，包括：隔离与变换电路，所述隔离与变换电路包括一个或至少两个并联的如上述本申请第一方面任一项中所述隔离与变换模块；控制模块，所述控制模块与隔离与变换电路连接，用于输出控制信号，控制隔离与变换模块的上、下桥臂可控电压源分别输出可变电压vup、vdown，保持上、下桥臂可控电压源平均有功功率为零；整流器，所述整流器连接于所述隔离与变换电路的端口d、e，将端口d、e输出的高频感应交流电压转变为直流电压。在一些实施例中，所述电力电子变压器还包括：DC/AC，所述DC/AC连接于整流器之后，用于将整流器输出的直流电压转变为低频交流电压。根据本申请第三方面，本申请提供一种电压变换与功率传输电路，包括：如本申请第二方面任一项中所述的电力电子变压器；电源，所述电源与隔离与变换电路的外部电压输入端相连，使得在隔离与变换电路的变压器、上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源中形成电流回路。在一些实施例中，电源是单相交流电源，隔离与变换电路为两个并联的隔离与变换模块，两个隔离与变换模块的c端口分别连接所述电源两端，同时，两个隔离与变换模块的端口a1、a2互连，端口b1、b2互连；或者，电源是m相交流电源，m≥2，隔离与变换电路为m个并联的隔离与变换模块，m相交流电每一相的一端分别连接m个模块的端口c1、c2、……cm，另一端互相连接，m个模块的端口a1、a2、……am互连，端口b1、b2、……bm互连；或者，电源是m相交流电源和直流电源，m≥2，隔离与变换电路为m个并联的隔离与变换模块，m相交流电每一相的一端分别连接m个模块的端口c1、c2、……cm，另一端互相连接，直流电源的两端分别连接端口a1、a2、……am和端口b1、b2、……bm，m个模块的端口a1、a2、……am互连，端口b1、b2、……bm互连。在一些实施例中，电源是单相交流电源，隔离与变换电路为一个隔离与变换模块，电压变换与功率传输电路还包括电容C1和电容C2，单向交流电源一端连接隔离与变换模块10的端口c，另一端分别通过电容C1、C2和隔离与变换模块10的端口a、b相连接；或者，电源包括直流电源或交流电源，隔离与变换电路为一个隔离与变换模块，隔离与变换模块的a、b端口分别与电源的两端相连接。本申请将电力电子变换电路与变压器融合构成隔离与变换模块，由于该隔离与变换模块复合利用变压器，变压器的励磁电感还可作为扼流电感，将扼流电感与变压器集成，使得本申请的器件数量及成本大大降低；又由于电力电子变换电路采用子模块串联构成的可控电压源，子模块可均分高电压，减小了子模块所需承受的电压；同时通过控制可控电压源吸收的有功功率为零，使得电力电子变换电路本身保持电压稳定，可更简洁实现直流或交流电压到高频电压的变换以及功率传输。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隔离与变换模块，其特征在于包括：变压器、上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源；所述变压器一次侧设置有第一绕组和第二绕组，其二次侧设置有第三绕组；第一绕组的异名端和第二绕组的同名端相连接，并将连接点作为所述隔离与变换模块的端口c，所述第三绕组的两端作为所述隔离与变换模块的端口d、e，第一绕组的同名端与上桥臂可控电压源的一端相连接，上桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口a，第二绕组的异名端与下桥臂可控电压源的一端相连接，下桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口b；所述端口a、b、c用于作为外部电压输入端，所述端口d、e用于作为输出高频感应交流电压的输出端；上、下桥臂可控电压源均包括储能元件，可分别输出可变电压vup、vdown，vup、vdown至少包括两种不同频率的主导电压，使得所述上、下桥臂可控电压源的平均有功功率保持为零。

【技术特征摘要】
1.一种隔离与变换模块，其特征在于包括：变压器、上桥臂可控电压源和下桥臂可控电压源；所述变压器一次侧设置有第一绕组和第二绕组，其二次侧设置有第三绕组；第一绕组的异名端和第二绕组的同名端相连接，并将连接点作为所述隔离与变换模块的端口c，所述第三绕组的两端作为所述隔离与变换模块的端口d、e，第一绕组的同名端与上桥臂可控电压源的一端相连接，上桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口a，第二绕组的异名端与下桥臂可控电压源的一端相连接，下桥臂可控电压源的另一端作为所述隔离与变换模块的端口b；所述端口a、b、c用于作为外部电压输入端，所述端口d、e用于作为输出高频感应交流电压的输出端；上、下桥臂可控电压源均包括储能元件，可分别输出可变电压vup、vdown，vup、vdown至少包括两种不同频率的主导电压，使得所述上、下桥臂可控电压源的平均有功功率保持为零。2.如权利要求1所述的隔离与变换模块，其特征在于，vup和vdown在稳态时包含三种不同频率主导电压v1、v2、v3，满足：其中，V1、V2、V3分别表示v1、v2、v3对应的幅值，I1、I2、I3分别表示由v1、v2、v3与端口a、b、c输入的外部电压互相激励而产生的电流在一次侧对应的电流分量i1、i2、i3的幅值；Is表示端口d、e产生的高频感应电流is的幅值，K表示变压器变比，表示v1、v2、v3与i1、i2、i3对应的相位差。3.如权利要求2所述的隔离与变换模块，其特征在于，v1、v2、v3的频率分别可表示为ω1、ω2、ω3，其中，ω1与端口a、b输入的外部电压频率相同，ω2与端口c输入的外部电压频率相同，ω3为高频。4.如权利要求1所述的隔离与变换模块，其特征在于，上、下桥臂可控电压源包括至少两个串联的子模块，所述子模块包括：桥式电路和储能元件，所述桥式电路与储能元件并联，所述子模块设置有与外部控制模块相连接的控制端口，该控制端口用于接收控制信号，储能元件用于缓存能量，桥式电路根据控制信号改变子模块的工作状态，使得储能元件充电或放电。5.如权利要求1-4任一项所述的隔离与变换模块，其特征在于，所述第一绕组和第二绕组的线圈匝数相同。6.一种电力电子变压器，其特征在于包括：隔离与变换电路，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇，李杰，康勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42