多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法，具体为：中频变压器在同一磁芯耦合磁场下高压与/或低压绕组采用多线圈结构，每个线圈单独引线到控制器；控制器采用模块化多级半桥串联结构，每个半桥由两条并联支路组成，其中一条由包含反并联续流二极管的两个功率开关管串联电路，另一条是两个串联电容器，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈。本发明专利技术能有效地改善中频变压器绕组功率流的双向控制过程中电压和电流的时间变化率，自动实现对电容器电压的均衡，控制灵活，可有效地避免功率控制器件触发导通不同步引起的功率器件承受电压不可控问题，有效抑制直流电容充电电流和直流电源的电流纹波。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多线圈单相中频方波变压器，尤其涉及的是一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法。
技术介绍
高压直流输电和分布式电能利用技术的发展，多端直流电网是未来分布式输配电网的关键技术。不同等级直流电网不存在两个交流电网互联必须满足电压的相位、频率和幅值匹配条件，它是通过中频变压器隔离，采用DC/AC/中频变压器/AC/DC的拓扑结构，实现直流电网的互联，故障容错性好。正弦波中频变压器需要采用多电平移相控制技术，多电平控制电路拓扑结构通常采用中性点二级管钳位或飞跨电容均压，以及H桥级联方式，这些拓扑结构和控制算法都十分复杂，而且不同功率开关管的通断电流大小和时间长短都不均衡，造成功率开关管和续流二极管的损耗发热不一样，容易造成有些器件热老化严重，影响系统可靠性。传统多电平拓扑由于功率开关管串联后再控制变压器绕组，用于中频方波变压器驱动则不仅要求功率开关管同步触发一致性好，而且短时同步触发导通后，变压器承受全部直流电源电压，电压时间变化率du/dt很高，引起不可忽略的变压器分布电容充电电流和绕组电位分布不均匀的波过程等问题。中国专利公开号为：103178742A(申请号为201310088405.0)，专利技术名称为：一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，该专利技术专利的拓扑由相同的三相电路组成，每一相由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变r>流器的输出并联第一电容器(C1)后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连。该专利采用多个隔离变压器，每个变压器输入侧和输出侧各相是独立半桥控制单元，只是输出侧各相经过半桥控制单元形成的直流电压又经过H桥控制单元逆变成交流输出，而且将这些H桥控制单元的输出串联形成多电平交流输出。由于每个隔离变压器前后采用半桥DC/DC变流器，多变压器系统效率低，系统三相输入单个半桥控制单元耐压低，不适用于高压直流输入，另外输出虽然经过H桥控制单元串联可以形成高压，但输出控制单元功率开关管数量较多，也不适合高压直流输电。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法，能够有效地改善中频变压器绕组功率流的双向控制过程中电压和电流的时间变化率，自动实现对电容器电压的均衡，控制灵活，可以有效避免功率控制器件触发导通不同步引起的功率器件承受不可控电压问题。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种多线圈单相中频方波变压器的高压DC/DC控制方法，包括如下步骤:第一，中频变压器在同一磁芯耦合磁场下高压与/或低压绕组采用多线圈结构设计方法，每个线圈单独引线到外部控制器；第二，控制器采用多级半桥控制单元串联结构，每个半桥控制单元由两条并联支路组成，其中一条由包含反并联续流二极管的两个功率开关管串联电路，另一条是两个串联电容器，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈；第三，将变压器同一绕组的多个线圈分为两组，每一组中的每个线圈分别与各自的半桥控制单元连接，其中线圈的同名端方向一致，然后将变压器同一绕组每组线圈的半桥控制单元顺极性串联起来，组成两组高压绕组控制拓扑与/或两组低压绕组控制拓扑；第四，将变压器同一绕组的两组控制拓扑经滤波电感分隔后顺极性串联，组成变压器同一绕组的控制拓扑结构，与直流电源连接；第五，外部功率正向传送时，输入端施加直流电压的过程中，各串联电容器充电，中间滤波电感起到限流作用；为了将功率由变压器的输入侧传送到其输出侧，这时输入侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，保持变压器输入侧线圈同名端电压极性相同，轮流将两个电容电压加到变压器输入侧对应线圈，即形成方波电压输入线圈，这样变压器磁芯内部形成耦合磁场，并在变压器输出侧各线圈产生电压；再通过变压器输出侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，将变压器输出侧的线圈电压输出，并轮流对输出侧两个电容器充电，变压器输出侧各控制单元的功率开关管的控制信号与变压器输入侧各控制单元的功率开关管控制信号之间具有一个移相角；为了防止各半桥控制单元两个功率开关管同时导通，驱动两个功率开关管的信号互补但具有死区时间；当输入端与输出端的各电容器串联形成的总直流电压达到预期稳定状态后，根据输入端与输出端的总直流电压稳定要求进行功率控制，控制方法与上述各半桥控制单元的控制相同；功率反向传送时，输入端与输出端改变位置，变压器输入侧与输出侧也改变位置，但各半桥控制单元的控制方法与功率正向传送相同。优先的，所有线圈顺极性绕在同一磁芯上，同一绕组不同线圈之间绝缘板2-3mm厚，不同绕组线圈之间绝缘板10-15mm厚。优先的，所述控制功率可以双向流动。优先的，所述功率开关管控制不存在同步触发非一致性引起的管压降不可控性问题，可实现零电流导通。优选的，所述功率控制过程中，各个电容器电压能实现自动均衡。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：第一，采用半桥控制单元拓扑级联结构，实现模块化设计，不需要钳位二极管或飞跨电容。第二，高、低压绕组的线圈绕制在同一磁芯上，每个线圈独立控制，每个线圈承受直流电压低，承受的电压时间变化率小且基本一致，可有效地削弱全压绕组分布电容充电电流大而电位分布不均的波过程。第三，功率开关管也不存在同步触发差异性引起的管压降不可控问题，不需要软开关技术就能实现零电流导通。第四，线圈相互耦合可以实现各直流电容电压的自动均衡，通过中间滤波电感可以有效限制直流电容的充电电流和对电源的纹波电流。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，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例中的采用的DC/DC控制拓扑结构示意图；图2为图1的多线圈单相中频方波变压器线圈同名端排列示意图；图3为图1的多线圈单相中频方波变压器模块控制结构示意图；图4为图1的多线圈单相中频方波变压器一个线圈半桥控制单元拓扑结构示意图；图5为单元控制信号，一次侧与二次侧线圈电流波形；图中：1-直流电源，2-半桥控制单元，3-滤波电感，4-功率开关管，5-变压器线圈，6-电容器。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法，其特征在于该方法具体为：第一，中频变压器在同一磁芯耦合磁场下高压与/或低压绕组采用多线圈结构设计方法，每个线圈单独引线到外部控制器；第二，控制器采用多级半桥控制单元串联结构，每个半桥控制单元由两条并联支路组成，其中一条由包含反并联续流二极管的两个功率开关管串联电路，另一条是两个串联电容器，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈；第三，将变压器同一绕组的多个线圈分为两组，每一组中的每个线圈分别与各自的半桥控制单元连接，其中线圈的同名端方向一致，然后将变压器同一绕组每组线圈的半桥控制单元顺极性串联起来，组成两组高压绕组控制拓扑与/或两组低压绕组控制拓扑；第四，将变压器同一绕组的两组控制拓扑经滤波电感分隔后顺极性串联，组成变压器同一绕组的控制拓扑结构，与直流电源连接；第五，外部功率正向传送时，输入端施加直流电压的过程中，各串联电容器充电，中间滤波电感起到限流作用；为了将功率由变压器的输入侧传送到其输出侧，这时输入侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，保持变压器输入侧线圈同名端电压极性相同，轮流将各半桥控制单元的两个电容电压加到变压器输入侧对应线圈，即形成方波电压输入线圈，这样变压器磁芯内部形成耦合磁场，并在变压器输出侧各线圈产生电压；再通过变压器输出侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，将变压器输出侧的线圈电压输出，并轮流对各半桥控制单元的两个电容器充电；变压器输出侧各控制单元的功率开关管的控制信号与变压器输入侧各控制单元的功率开关管控制信号之间具有一个移相角；为了防止各半桥控制单元两个功率开关管同时导通，驱动两个功率开关管的信号互补但具有一死区时间；当输入端与输出端的各串联电容器形成的总直流电压达到预期稳定状态后，根据输入端和输出端的总直流电压稳定要求进行功率控制，控制方法与上述各半桥控制单元的控制相同；功率反向传送时，输入端与输出端改变位置，变压器输入侧与输出侧也改变位置，各半桥控制单元的控制方法与功率正向传送相同。...

【技术特征摘要】
1.一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制方法，其特征在于该方
法具体为：
第一，中频变压器在同一磁芯耦合磁场下高压与/或低压绕组采用多线圈结构设计方
法，每个线圈单独引线到外部控制器；
第二，控制器采用多级半桥控制单元串联结构，每个半桥控制单元由两条并联支路
组成，其中一条由包含反并联续流二极管的两个功率开关管串联电路，另一条是两个串
联电容器，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈；
第三，将变压器同一绕组的多个线圈分为两组，每一组中的每个线圈分别与各自的
半桥控制单元连接，其中线圈的同名端方向一致，然后将变压器同一绕组每组线圈的半
桥控制单元顺极性串联起来，组成两组高压绕组控制拓扑与/或两组低压绕组控制拓扑；
第四，将变压器同一绕组的两组控制拓扑经滤波电感分隔后顺极性串联，组成变压
器同一绕组的控制拓扑结构，与直流电源连接；
第五，外部功率正向传送时，输入端施加直流电压的过程中，各串联电容器充电，
中间滤波电感起到限流作用；
为了将功率由变压器的输入侧传送到其输出侧，这时输入侧各半桥控制单元的功率
开关管奇数与偶数编号轮换导通，保持变压器输入侧线圈同名端电压极性相同，轮流将
各半桥控制单元的两个电容电压加到变压器输入侧对应线圈，即形成方波电压输入线
圈，这样变压器磁芯内部形成耦合磁场，并在变压器输出侧各线圈产生电压；再通过变
压器输出侧各半桥控制单元的功率开关管奇数与偶数编号轮换导通，将变压器输出侧的
线圈电压输出，并轮流对各半桥控制单元的两个电容器充电；变压器输出侧各控制单元
的功率开关管的控制信号与变压器输入侧各控制单元的功率开关管控制信号之间具有
一个移相角；为了防止各半桥控制单元两个功率开关管同时导通，驱动两个功率开关管
的信号互补但具有一死区时间；
当输入端与输出端的各串联电容器形成的总直流电压达到预期稳定状态后，根据输
入端和输出端的总直流电压稳定要求进行功率控制，控制方法与上述各半桥控制单元的
控制相同；
功率反向传送时，输入端与输出端改变位置，变压器输入侧与输出侧也改变位置，

\t各半桥控制单元的控制方法与功率正向传送相同。
2.根据权利要求1所述的一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制
方法，其特征在于，所述中频变压器的高、低压绕组线圈依次排列，共享一个磁芯磁路，
两组高压线圈夹在两组低压线圈之间，所述方法具体操作步骤如下：
(1)置备高、低压绕组线圈，将所述线圈按照同一绕向各分为两组，所述各组按
照低压、高压线圈依次排列，两组高压线圈夹在两组低压线圈中间，相邻线圈之间用绝
缘板隔开；
(2)将上述变压器线圈引线加绝缘陶瓷管后依次引出，并标记同名端；
(3)将两个分别包含反并联续流二极管的功率开关管串联，形成三个联结点P1，
P2和P3，将两个同规格电容器串联，形成三个联结点Q1，Q2和Q3，分别将P1与Q1连
接引出正极S1+，P3与Q3连接引出负极S1-，分别将P2与线圈同名端连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢宝昌，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31