一种直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种直流变换器及其控制方法，包括软开关网络、组合式电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，通过调节开关频率控制输出电压。所述组合式电路包括串联的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，各桥臂均包含N个串联的子模块。通过引入三角波补偿电流，在宽输入电压范围内扩展各桥臂开关的软开关能力。本发明专利技术提供的控制方法，在桥臂间引入固定相移及占空比，实现倍频操作且获取高降压比。本发明专利技术可实现所有开关管在宽输入电压范围内的零电压开通，同时有效减小谐振电流，减小开关损耗和导通损耗，提高组合式谐振变换器的转换效率。转换效率。转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种直流变换器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及开关变换器
，具体涉及电力电子
中组合式谐振变换器的零电压开通实现方法。

技术介绍

[0002]随着中压直流输电系统的快速发展，对不同层级系统的远距离互联需求越来越迫切。大功率降压直流变换器作为直流输电的关键设备之一，在构建多端直流电网中不可或缺。高效功率输送、高功率密度、高降压比和宽输入范围且稳定运行是降压直流变换器的关键技术指标。专利技术“一种谐振型电力电子变流器及变流器装置”(申请号201310309952.7)提出的模块化多电平谐振变换器MMR(Modular Multilevel Resonant，后级DC/DC隔离电路)集成了组合式变换器和谐振变换器的优势，具有较好的应用前景。
[0003]组合式结构使得MMR输入侧能承受高压且便于冗余设计，谐振网络有利于实现变换器宽范围调节，提高整体效率。但是，组合式结构设计引入直流环流，不同桥臂开关存在不同软开关特性，部分开关难以在宽工作范围内实现零电压开通。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种直流变换器及其控制方法，实现所有开关管宽输入电压范围的零电压开通，减小变换器的开关损耗。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种变换器，包括依次连接的软开关网络、组合式电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容；所述软开关网络包括四个级联的电容，所述组合式电路包括四个级联的桥臂，每个所述电容与一个所述桥臂并联；第二桥臂的输入端、第三桥臂的输出端分别与谐振网络的第一组谐振电感、第二组谐振电感串联；所述第一组谐振电感、第二组谐振电感分别与谐振网络励磁电感的两端连接；所述第二组谐振电感与所述励磁电感之间接有谐振电容；所述励磁电感与变压器原边并联；所述变压器副边接所述整流器。
[0006]本专利技术的变换器结合了模块化多电平拓扑与谐振变换器两者的优点。组合式电路的模块化多电平设计使其适应于高压大功率场合，具备冗余容错能力，谐振电路则有利于开关实现零电压开通，减小了变换器的开关损耗，提高了功率密度。
[0007]所述第一组谐振电感、第二组谐振电感均包括两个串联的谐振电感。本专利技术将谐振电感裂变置于桥臂之上，既能参与谐振环节，也能有效抑制干扰引起的桥臂电流波动。
[0008]为了保证软开关网络的可靠运行，所述四个级联的电容的容值相同。
[0009]第二电容正端通过第一电感与所述第一组谐振电感的中点连接；第四电容正端通过第二电感与所述第二组谐振电感的中点连接；所述第一电感、第二电感的电感值相同。第一电感、第二电感的作用在于提供不对称三角波电流以消除桥臂子模块下管中环流引入的偏置，进而实现零电压开通。整体电路中，一、四桥臂与二、三桥臂的工作是相对称的，参数相同，因此第一电感和第二电感的电感值是相同的。
[0010]所述第一电感、第二电感的电感值满足以下关系式：
[0011][0012][0013]其中，I
Lr
(T)、I
Lr
(D
e
T)分别为T、D
e
T时刻谐振电流值；I
d
为环流电流值；D
e
为谐振网络占空比；f
s
为开关频率；L
a
为第一电感或第二电感的电感值；V
i
为谐振变换器的输入电压；I
k
为开关管满足软开关条件(即零电压开通条件)时的最小开通电流值；D1为第一桥臂与第四桥臂的子模块占空比。
[0014]第一桥臂与第四桥臂内的子模块驱动信号间的相移为180
°
，第二桥臂与第三桥臂的驱动信号间的相移为180
°
。第一桥臂与第四桥臂的子模块占空比D1为0.25，第二桥臂与第三桥臂占空比D2为0.75。
[0015]本专利技术中，通过设置相移与占空比，实现了等效频率与降压比翻倍，即所述谐振网络输入电压频率是桥臂开关频率的两倍。减少了开关损耗，使得本专利技术的变换器可以用于高降压场合。
[0016]每个所述桥臂中子模块的上、下开关管的占空比互补，且上、下开关管不同时导通。
[0017]本专利技术还提供了一种上述直流变换器的控制方法，包括：
[0018]S1、采集谐振变换器的输出电压V
o
；
[0019]S2、将采样的输出电压V
o
与给定电压指令值V
o*
相减，得到电压误差，将所述电压误差送至比例积分控制器后，再将比例积分控制器的输出送到压控振荡器，得到转换器的开关频率；
[0020]S3、根据非对称脉宽调制引入的固定相移、占空比及所述开关频率产生所述谐振变换器开关管对应的脉宽调制信号；
[0021]S4、各桥臂脉宽调制信号经过子模块电压平衡算法(例如杨晓峰，林智钦，郑琼林，等.模块组合多电平变换器的研究综述[J].中国电机工程学报，2013，33(6)：1
‑
14.或者：基于固定规则的MMC电容电压均衡策略[J].中国电机工程学报，20183，38(18)：5548
‑
5556》)进行脉冲轮换，得到驱动信号送至各桥臂内子模块开关管驱动电路。
[0022]与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：
[0023]1、本专利技术提供的组合式谐振变换器，具备宽范围软开关能力，可实现所有开关管宽输入电压范围的零电压开通，减小了变换器的开关损耗。
[0024]2、本专利技术的控制方法采用非对称脉宽调制，在桥臂间引入固定相移，实现了等效开关频率以及降压比翻倍，提高了变换器的变换效率。
[0025]3、本专利技术提供的控制方法，在桥臂间引入固定相移及占空比，实现倍频操作且获取高降压比。本专利技术可实现所有开关管在宽输入电压范围内的零电压开通，同时有效减小谐振电流，减小开关损耗和导通损耗，提高组合式谐振变换器的转换效率。
附图说明
[0026]图1是本专利技术中组合式谐振变换器的拓扑结构示例；
[0027]图2是本专利技术实施例组合式谐振变换器的主要工作波形；
[0028]图3是本专利技术中组合式谐振变换器的输出电压控制框图；
[0029]图4是本专利技术桥臂子模块数N＝1时的简化拓扑；
[0030]图5是本专利技术简化拓扑的第一桥臂与第二桥臂中1号子模块上、下开关管的电压电流波形。
[0031]其中，10软开关网络、20组合式电路、30谐振网络、40变压器、50整流器、SMxx子模块、S
u
子模块上开关管、S
d
子模块下开关管、V
c
子模块电容电压、g
x
子模块驱动信号、L
r1
、L
r2
、L
r3
、L
r4
、L
r5
谐振电感、V
i
变换器输入电压、V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直流变换器，其特征在于，包括依次连接的软开关网络、组合式电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容；所述软开关网络包括四个级联的电容，所述组合式电路包括四个级联的桥臂，每个所述电容与一个所述桥臂并联；第二桥臂的输入端、第三桥臂的输出端分别与谐振网络的第一组谐振电感、第二组谐振电感串联；所述第一组谐振电感、第二组谐振电感分别与谐振网络励磁电感的两端连接；所述第二组谐振电感与所述励磁电感之间接有谐振电容；所述励磁电感与变压器原边并联；所述变压器副边接所述整流器。2.根据权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，所述第一组谐振电感、第二组谐振电感均包括两个串联的谐振电感。3.根据权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，所述四个级联的电容的容值相同。4.根据权利要求1所述的直流变换器，其特征在于，第二电容正端通过第一电感与所述第一组谐振电感的中点连接；第四电容正端通过第二电感与所述第二组谐振电感的中点连接；所述第一电感、第二电感的电感值相同。5.根据权利要求4所述的直流变换器，其特征在于，所述第一电感、第二电感的电感值满足以下关系式：满足以下关系式：其中，I
Lr
(T)、I
Lr
(D
e
T)分别为T、D
e
T时刻谐振电流值；I
d
为环流电流值；D
e
为谐振网络占空比；f
s
为开关频率；L
a
为第一电感或第二电...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志兴，周芊帆，罗安，管仁锋，周奔，李宗鉴，刘阳，陈燕东，周乐明，伍文华，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：