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。其电路包括输入滤波电感，n个前级软开关电路与n个后级隔离型DC‑DC变换器，每个前级软开关电路的输出端与后级隔离型DC‑DC变换器的输入端连接组成一个子模块电路，n个子模块电路通过输入串联、输出并联的方式组合后，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；其调制方法为，前级软开关电路根据输入电网电压的交直流特性进行基于SPWM的软开关调制或基于PWM的软开关调制，后级隔离型DC‑DC变换器采用PWM调制，调制时，n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，n个后级隔离型DC‑DC变换器的载波之间也具有一定相移。

【技术实现步骤摘要】
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，且大部分的两级式固态变压器，其前级均工作在硬开关的条件下，这不利用固态变压器效率与功率密度的提升，因此有必要提出一种能够实现全软开关的交直流输入通用的固态变压器。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提出一种减小前级电路开关损耗、实现全软开关的，交直流输入通用的固态变压器电路及其调制方法。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个相同的前级软开关电路和n个相同的后级隔离型DC-DC变换器。n个前级软开关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；每个前级软开关电路的直流输出端分别与一个后级隔离型DC-DC变换器的直流输入端相连，共同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，前级软开关电路包括第一全桥电路、第一辅助电路与第一输出电容；后级隔离型DC-DC变换器包括第二全桥电路、第一LC谐振电路、第一变压器、第三全桥电路与第二输出电容；第一全桥电路、第二全桥电路与第三全桥电路均包括两组桥臂，第一全桥电路的两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组成，第二全桥电路与第三全桥电路各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成；每个全桥电路的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；第一全桥电路的两个桥臂中点构成前级软开关电路的交直流输入端；在第一全桥电路的上开关管漏极与第一输出电容正极间接入第一辅助电路，第一全桥电路的下开关管源极与第一输出电容负极相连；第一辅助电路由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管、箝位电容以及辅助电感构成；辅助开关管与箝位电容串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联辅助电感；第二全桥电路的上开关管漏极与下开关管源极构成后级隔离型DC-DC变换器的直流输入端；第一LC谐振电路由谐振电感与谐振电容串联而成；第二全桥电路的桥臂中点与第一LC谐振电路串联后连接第一变压器的原边；第三全桥电路的上开关管漏极与第二输出电容的正极相连，第三全桥电路的下开关管源极与第二输出电容的负极相连；第三全桥电路的桥臂中点与第一变压器的副边相连。本专利技术的另一个方面，提出一种上述全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，每个子模块电路驱动信号由前级软开关电路的软开关驱动信号与后级隔离型DC-DC变换器的驱动信号组成；前级软开关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，调制时n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，之后在SPWM驱动或PWM驱动的基础上进行软开关调制，从而生成前级软开关电路的软开关驱动信号；后级隔离型DC-DC变换器采用PWM调制，调制时n个后级隔离型DC-DC变换器的载波之间具有一定相移，从而生成后级隔离型DC-DC变换器的驱动信号。上述方法依赖于以下模块实现：交直流调制波选择模块，前级PWM产生模块，n个相同的软开关调制模块，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，后级PWM产生模块与后级调制波产生模块。上述技术方案中，进一步地，交直流调制波选择模块根据输入电压vin的交直流特性，输出对应的调制信号m1并输入前级PWM产生模块；前级载波产生模块产生开关周期为Ts1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°)的锯齿载波并输入前级PWM产生模块；前级PWM产生模块将调制信号m1与n个锯齿载波分别进行SPWM调制或PWM调制，产生n组前级原始驱动，每组前级原始驱动由两路具有死区的互补驱动信号V1k与V2k(1≤k≤n)组成；第k组前级原始驱动信号V1k、V2k与固态变压器输入电流iin共同输入第k个软开关调制模块生成一组前级软开关电路驱动信号，n个软开关调制模块共生成n组前级软开关驱动信号分别用于驱动n个前级软开关电路；后级载波产生模块产生开关周期为Ts2的三角波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β(0°≤β≤360°)的三角载波并输入后级PWM产生模块；后级调制波产生模块生成后级调制波m2并输入后级PWM产生模块；后级PWM产生模块将调制信号m2与n个三角载波分别进行PWM调制，产生n组后级驱动，分别用于驱动n个后级隔离型DC-DC变换器。交直流调制波选择模块包括输入电压判断模块，交流调制波产生模块，直流调制波产生模块与第一选择开关；交流调制波产生模块与直流调制波产生模块分别产生交流调制波与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调制信号输出，也即当输入电压为交流时选择交流调制波，当输入电压为直流时选择直流调制波。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、第五或门与第三选择开关；固态变压器输入电流iin输入第一比较器正端，与零比较，输出结果作为驱动信号Vgs3，驱动信号Vgs3通过第一反相器反相后作为驱动信号Vgs4；V1k经第一延时模块延时后的结果与V2k共同输入第一与门生成V3；V2k经第二延时模块延时后的结果与V1k共同输入第二与门生成V4；V3与V4输入第一或门生成直通信号V5；第二选择开关在输入电流极性判断模块的控制下选择将V5输入第二或门或第三或门，也即当iin为正时将V5输入第二或门，将零输入第三或门，而当iin为负时将V5输入第三或门，将零输入第二或门；V1k与V2k分别输入第二或门与第三或门，第二或门与第三或门的输出信号分别为驱动信号Vgs1与Vgs2；Vgs1、Vgs2、Vgs3、Vgs4分别为第k个子模块电路的前级软开关电路中全桥电路的开关管驱动；V2k经第三延时模块延时后的结果与V1k共同输入第四或门生成V6，V1k经第四延时模块延时后的结果与V2k共同输入第五或门生成V7；第三选择开关根据电流极性判断模块的控制选择V6或V7作为第k个子模块电路的前级软开关电路中辅助开关管的驱动信号Vgsa，也即当iin为正时选择V6，iin本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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个相同的前级软开关电路(200)和n个相同的后级隔离型DC-DC变换器(300)；所述n个前级软开关电路(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(300)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；每个所述前级软开关电路(200)的直流输出端分别与一个所述后级隔离型DC-DC变换器(300)的直流输入端相连，共同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个相同的前级软开关电路(200)和n个相同的后级隔离型DC-DC变换器(300)；所述n个前级软开关电路(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(300)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；每个所述前级软开关电路(200)的直流输出端分别与一个所述后级隔离型DC-DC变换器(300)的直流输入端相连，共同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：
所述前级软开关电路(200)包括第一全桥电路(201)、第一辅助电路(202)与第一输出电容(203)；所述后级隔离型DC-DC变换器(300)包括第二全桥电路(301)、第一LC谐振电路(302)、第一变压器(303)、第三全桥电路(304)与第二输出电容(305)；
所述第一全桥电路(201)、第二全桥电路(301)与第三全桥电路(304)均包括两组桥臂，所述第一全桥电路(201)的两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组成，所述第二全桥电路(301)与第三全桥电路(304)各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成；每个全桥电路的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；
所述第一全桥电路(201)的两个桥臂中点构成所述前级软开关电路(200)的交直流输入端；在所述第一全桥电路(201)的上开关管漏极与所述第一输出电容(203)正极间接入所述第一辅助电路(202)，所述第一全桥电路(201)的下开关管源极与第一输出电容(203)负极相连；所述第一辅助电路(202)由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管(208)、箝位电容(209)以及辅助电感(210)构成；所述辅助开关管(208)与所述箝位电容(209)串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联所述辅助电感(210)；
所述第二全桥电路(301)的上开关管漏极与下开关管源极构成所述后级隔离型DC-DC变换器(300)的直流输入端；所述第一LC谐振电路(302)由谐振电感(310)与谐振电容(311)串联而成；所述第二全桥电路(301)的桥臂中点与所述第一LC谐振电路(302)串联后连接所述第一变压器(303)的原边；所述第三全桥电路(304)的上开关管漏极与所述第二输出电容(305)的正极相连，所述第三全桥电路(304)的下开关管源极与所述第二输出电容(305)的负极相连；所述第三全桥电路(304)的桥臂中点与所述第一变压器(303)的副边相连。


3.一种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，每个子模块电路驱动信号由所述前级软开关电路(200)的软开关驱动信号与所述后级隔离型DC-DC变换器(300)的驱动信号组成；所述前级软开关电路(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，调制时n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，之后在SPWM驱动或PWM驱动的基础上进行软开关调制，从而生成所述前级软开关电路(200)的软开关驱动信号；所述后级隔离型DC-DC变换器(300)采用PWM调制，调制时n个后级隔离型DC-DC变换器的载波之间具有一定相移，从而生成所述后级隔离型DC-DC变换器(300)的驱动信号。


4.根据权利要求3所述的一种全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，其特征在于：
该方法依赖于以下模块实现：交直流调制波选择模块(400)，前级PWM产生模块(500)，n个相同的软开关调制模块(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)，后级PWM产生模块(1100)与后级调制波产生模块(1200)；
所述交直流调制波选择模块(400)根据输入电压vin的交直流特性输出对应的调制信号m1并输入所述前级PWM产生模块(500)；所述前级载波产生模块(700...

【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