复用全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法技术

本发明专利技术公开一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法。其电路包括一个输入滤波电感及前级全桥电路、辅助支路与后级隔离型DC‑DC变换器各n个，每个前级全桥电路，辅助支路与后级隔离型DC‑DC变换器依次串联组成一个子模块电路，n个子模块电路输入串联、输出并联，输入端经输入滤波电感接入中压交流或直流电网，输出端接低压直流电网或负载；其中前级全桥电路根据输入电网电压的交直流特性进行SPWM调制或PWM调制，后级隔离型DC‑DC变换器采用PWM调制，n个子模块电路的载波之间具有相移，根据输入电流极性，将前级全桥电路原始驱动信号与后级隔离型DC‑DC变换器原始驱动信号的下降沿对齐，并将对齐后的驱动信号进行软开关调制，生成子模块电路的驱动信号。

【技术实现步骤摘要】
复用全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法
本专利技术属于电力电子技术的
，涉及固态变压器与软开关技术，尤其涉及一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，固态变压器受到了广泛的关注，固态变压器除了具备传统变压器隔离和升、降电压功能外，同时集成了电网无功调节、功率控制、谐波抑制以及故障保护等功能；此外，固态变压器能够大幅度减小变压器的体积和重量，提升功率密度；不仅如此，采用模块化的结构可以大幅提升固态变压器耐压等级与功率容量，简化电路设计流程。但是目前，关于交直流电网输入通用的固态变压器研究较少；且相较于传统变压器，固态变压器的效率仍然较低，这主要是因为在两级式固态变压器中，前级电路常常工作在硬开关的条件下，后级隔离型DC-DC变换器在轻载时也存在软开关较难实现的问题，这增大了固态变压器的开关损耗，限制了固态变压器的转换效率；因此有必要提出一种交直流输入通用的，能够同时实现前后级电路软开关的固态变压器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提出一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法，可以通用于交流以及直流输入的情况，且通过引入辅助支路，可以利用辅助支路同时实现前级全桥电路与后级隔离型DC-DC变换器的软开关。本专利技术采用以下技术方案实现：本专利技术的一个方面，提出一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路，包括输入滤波电感、n个相同的前级全桥电路、n个相同的辅助支路与n个相同的后级隔离型DC-DC变换器。n个前级全桥电路的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与输入滤波电感串联后接入中压交流或直流电网；n个后级隔离型DC-DC变换器的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个前级全桥电路、辅助支路与后级隔离型DC-DC变换器依次串联构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。上述技术方案中，进一步地，前级全桥电路包括两组桥臂，每组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管构成，两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；两个桥臂中点构成交直流输入端；桥臂上开关管漏极与下开关管源极构成输出端；辅助支路包括一个包含反并联二极管与谐振电容的全控型辅助开关管、一个箝位电容、一个辅助电感与一个母线电容；辅助开关管与箝位电容串联后再与辅助电感并联构成一个子电路，该子电路与母线电容串联共同构成辅助支路；后级隔离型DC-DC变换器包括逆变电路、LC谐振电路、变压器、整流电路与输出电容；逆变电路是由四个包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管连接成的全桥结构；LC谐振电路由谐振电感与谐振电容串联而成；逆变电路的桥臂中点与LC谐振电路串联后连接变压器的原边；整流电路由四个包含反并联二极管的全控型开关管连接成全桥结构；整流电路的上开关管漏极与输出电容的正极相连，整流电路的下开关管源极与输出电容的负极相连；整流电路的桥臂中点与变压器的副边相连。本专利技术的另一个方面，提出一种上述复用全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，前级全桥电路根据输入电压的交直流特性，采用SPWM调制对输入交流电压进行整流或采用PWM调制对输入直流电压进行幅值变换，后级隔离型DC-DC变换器采用PWM调制，n个子模块电路的载波之间具有一定的相移；根据输入电流的极性，将前级全桥电路原始驱动信号与后级隔离型DC-DC变换器原始驱动信号的下降沿进行对齐，并将对齐后的驱动信号进行软开关调制，生成子模块电路的驱动信号。进一步地，所述的调制方法基于以下模块实现，调制波生成模块、n个相同的驱动生成模块、前级载波产生模块、前级载波移相模块、后级载波产生模块、后级载波移相模块，其中每个驱动生成模块包括前级PWM产生模块，后级PWM产生模块，PWM对齐模块以及软开关调制模块；调制波生成模块根据输入电压vin的交直流特性，输出对应的前级调制信号m1以及后级调制信号m2；前级载波产生模块产生开关周期为Ts的锯齿波C1并经前级载波移相模块做移相处理后生成n个具有相移α(0°≤α≤360°)的前级载波C11,C12,C13…C1n；后级载波产生模块产生开关周期为2Ts的锯齿波C2并经后级载波移相模块做移相处理后生成n个具有相移的后级载波C21,C22,C23…C2n；将前级调制信号m1，后级调制信号m2，第k个(1≤k≤n)前级载波C1k以及第k个后级载波C2k共同输入第k个驱动生成模块；在第k个驱动生成模块中，前级调制信号m1与第k个前级载波C1k经前级PWM产生模块生成一组带死区的互补的前级电路原始驱动信号V1k，V2k，后级调制信号m2与第k个后级载波C2k经后级PWM产生模块生成一组带死区的互补的后级电路原始驱动信号V3k，V4k，将V1k，V2k，V3k，V4k以及固态变压器输入电流iin输入PWM对齐模块，当iin大于零时，平移V1k与V2k并使V1k的下降沿与V3k，V4k的下降沿对齐，当iin小于零时，平移V1k与V2k并使V2k的下降沿与V3k，V4k的下降沿对齐，V1k与V2k经PWM对齐模块处理后成为V1ka与V2ka，将V1ka，V2ka，V3k，V4k与iin输入软开关调制模块处理后生成一组子模块电路驱动信号。n个驱动生成模块共生成n组子模块电路驱动信号分别用于驱动n个子模块电路。更进一步地，调制波生成模块包括输入电压判断模块，前级交流调制波产生模块，前级直流调制波产生模块，后级调制波产生模块与第一选择开关；前级交流调制波产生模块与前级直流调制波产生模块分别产生前级交流调制波与前级直流调制波并输入第一选择开关；输入电压判断模块对输入电压的交直流特性进行判断并控制第一选择开关选择合适的前级调制信号m1输出，也即当输入电压为交流时选择前级交流调制波，当输入电压为直流时选择前级直流调制波；后级调制波生成模块生成后级调制信号m2。软开关调制模块包括第一比较器、第一反相器、输入电流极性判断模块、第一延时模块、第一与门、第二延时模块、第二与门、第一或门、第二选择开关、第二或门、第三或门、第三延时模块、第四延时模块、第四或门、第五或门、第三选择开关、第五延时模块、第六延时模块、第三与门、第四与门、第六或门与第七或门；输入电流iin输入第一比较器正端，与零比较，输出结果作为驱动信号Vgsi3，驱动信号Vgsi3通过第一反相器反相后作为驱动信号Vgsi4；V1ka经第一延时模块延时后的结果与V2ka共同输入第一与门生成a1；V2ka经第二延时模块延时后的结果与V1ka共同输入第二与门生成a2；a1与a2输入第一或门生成直通信号a3；第二选择开关在输入电流极性判断模块的控制下选择将a3输入第二或门或第三或门，也即当iin为正时将a3输入第二或门，将零输入第三或门，而当iin为负时将a3输入第三或门，将零输入第二或门；且V1ka输入第二或门、V2ka输入第三或门，第二或门与第三或门的输出信号分别为驱动信号Vgsi1与Vgsi2；Vgsi1、Vgsi2、Vgsi3、Vgsi4分别为第k个前级全桥电路的软开关驱动信号；V2ka经第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路，其特征在于：/n包括输入滤波电感(100)、n个相同的前级全桥电路(200)、n个相同的辅助支路(300)与n个相同的后级隔离型DC-DC变换器(400)；所述n个前级全桥电路(200)的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与所述输入滤波电感(100)串联后接入中压交流或直流电网；所述n个后级隔离型DC-DC变换器(400)的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个所述前级全桥电路(200)、辅助支路(300)与后级隔离型DC-DC变换器(400)依次串联构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。/n

【技术特征摘要】
1.一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路，其特征在于：
包括输入滤波电感(100)、n个相同的前级全桥电路(200)、n个相同的辅助支路(300)与n个相同的后级隔离型DC-DC变换器(400)；所述n个前级全桥电路(200)的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与所述输入滤波电感(100)串联后接入中压交流或直流电网；所述n个后级隔离型DC-DC变换器(400)的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个所述前级全桥电路(200)、辅助支路(300)与后级隔离型DC-DC变换器(400)依次串联构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。


2.根据权利要求1所述的一种复用全软开关交直流输入固态变压器电路，其特征在于：
所述前级全桥电路(200)包括两组桥臂，每组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管构成，两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；两个桥臂中点构成交直流输入端；桥臂上开关管漏极与下开关管源极构成输出端；
所述辅助支路(300)包括一个包含反并联二极管与谐振电容的全控型辅助开关管(301)、一个箝位电容(302)、一个辅助电感(303)与一个母线电容(304)；所述辅助开关管(301)与所述箝位电容(302)串联后再与所述辅助电感(303)并联构成一个子电路，该子电路与所述母线电容(304)串联共同构成所述辅助支路(300)；
所述后级隔离型DC-DC变换器(400)包括逆变电路(401)、LC谐振电路(402)、变压器(403)、整流电路(404)与输出电容(405)；所述逆变电路(401)是由四个包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管连接成的全桥结构；所述LC谐振电路(402)由谐振电感(410)与谐振电容(411)串联而成；所述逆变电路(401)的桥臂中点与所述LC谐振电路(402)串联后连接所述变压器(403)的原边；所述整流电路(404)由四个包含反并联二极管的全控型开关管连接成全桥结构；所述整流电路(404)的上开关管漏极与所述输出电容(405)的正极相连，所述整流电路(404)的下开关管源极与所述输出电容(405)的负极相连；所述整流电路(404)的桥臂中点与所述变压器(403)的副边相连。


3.一种复用全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，其特征在于：
所述固态变压器的电路结构如权利要求1所述，所述前级全桥电路(200)根据输入电压的交直流特性，采用SPWM调制对输入交流电压进行整流或采用PWM调制对输入直流电压进行幅值变换，所述后级隔离型DC-DC变换器(400)采用PWM调制，n个子模块电路的载波之间具有一定的相移；根据输入电流的极性，将前级全桥电路原始驱动信号与后级隔离型DC-DC变换器原始驱动信号的下降沿进行对齐，并将对齐后的驱动信号进行软开关调制，生成子模块电路的驱动信号。


4.根据权利要求3所述的一种复用全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，其特征在于：
所述的调制方法基于以下模块实现，调制波生成模块(500)、n个相同的驱动生成模块(600)、前级载波产生模块(700)、前级载波移相模块(800)、后级载波产生模块(900)、后级载波移相模块(1000)，其中每个所述驱动生成模块(600)包括前级PWM产生模块(1100)，后级PWM产生模块(1200)，PWM对齐模块(1300)以及软开关调制模块(1400)；
所述调制波生成模块(500)根据输入电压vin的交直流特性输出对应前级调制信号m1以及后级调制信号m2；所述前级载波产生模块(700)产生开关周期为Ts的锯齿波C1并经所述前级载波移相模块(800)做移相处理后生成n个具有相移α(0°≤α≤360°)的前级载波C11，C12，C13...C1n；所述后级载波产生模块(900)产生开关周期为2Ts的锯齿波C2并经所述后级载波移相模块(1000)做移相处理后生成n个具有相移的后级载波C21，C22，C23...C2n；将前级调制信号m1，后级调制信号m2，第k个(1≤k≤n)前级载波C1k以及第k个后级载波C2k共同输入第k个所述驱动生成模块(600)；在第k个驱动生成模块(600)中，前级调制信号m1与第k个前级载波C1k经所述前级PWM产生模块(1100)生成一组带死区的互补的前级电路原始驱动信号V1k，V2k，后级调制信号m2与第k个后级载波C2k经所述后级PWM产生模块(1200)生成一组带死区的互补的后级电路原始驱动信号V3k，V4k，将V1k，V2k，V3k，V4k以及固态变压器输入电流iin输入所述PWM对齐模块(1300)，当ii...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德鸿，李静航，任绪甫，翁浩源，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33