具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器制造技术

本发明专利技术提供了一种具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，包括：输入侧有源全桥AFB1、AFB2和输出侧半有源桥SAFB；所述AFB1与AFB2分别通过预设匝比的高频变压器与SAFB连接；所述AFB1与AFB2分别通过预设匝比的高频变压器与SAFB连接，两变压器二次侧串联。本发明专利技术正常运行过程中，两输入端向输出端传输功率，且两输入端之间存在一定功率传输能力；单个输入端故障后，未故障输入端仍可正常向输出端供电；输出端故障后，两输入端之间仍能够保证功率传递；提出了参数选择依据，可以使得变换器在双极系统故障前后能够维持输出功率不变，同时实现全部器件软开关运行，实现系统高效运行。系统高效运行。系统高效运行。

【技术实现步骤摘要】
具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器


[0001]本专利技术涉及低压直流配电领域与电力电子变换器设计和控制领域，具体地，涉及一种具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的发展以及直流源荷的增多，低压直流配电系统功率损耗低、传输容量大等优势逐渐显现，已受到广泛关注。双极直流配电系统典型架构如图1所示。为保证系统中关键负载可靠供电，其接口变换器可采用双极输入式变换器。正常运行时，可通过正
‑
负极间母线向负载供电。当系统发生正极对地短路故障或负极对地短路故障时，变换器需具备短路故障容错运行能力，若双极直流系统发生单极故障后未故障母线能够正常运行，变换器则通过中性线与未发生故障母线向负载供电，并隔离故障母线。
[0003]文献1：
[0004]Nielsen H R,AndersenM,ZhangZ,et al.Dual
‑
input isolated full
‑
bridge boost dc
‑
dc converter based on the distributed transformers[J].IetPower Electronics,2012,5(7):1074
‑
1083.
[0005]该文献提出一种隔离型双输入变换器，其输入端口之间可实现功率解耦。但是该文献所提出的拓扑输出侧二极管数量较多，且在连续导通模式下输入端口各开关管无法实现软开关，存在较为明显的开关损耗问题。与之相比，本专利技术提出的拓扑，输出侧半导体器件数量仅为该文献的一半，且能够实现全部开关器件零电压开通，有效降低变换器损耗。
[0006]文献2：
[0007]Zhao C,Round S D,Kolar J W.An Isolated Three
‑
Port Bidirectional DC
‑
DC Converter With Decoupled Power Flow Management[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(5):2443
‑
2453.
[0008]该文献提出一种全隔离型三端口变换器拓扑，各端口之间均能够实现功率双向流动。相比于本专利技术所提出拓扑，该文献所提出的拓扑端口间功率耦合情况更复杂，控制设计难度更高。同时，由于本专利技术所提出拓扑两输入端口连接的隔离变压器二次侧相串联，因而当设计输出电压较高时，对于该文献所提出拓扑而言，若需达到相同输出电压，变压器匝比需要比本专利技术所提出拓扑中的变压器匝比更悬殊，进而造成单端口输入模式下输入端口功率回流更大，且电流峰值更高，提高器件成本。
[0009]专利文献CN113452070A(申请号：CN202110704072.4)公开了一种电流源型多端口柔性并网接口装置，其包括电流源AC
‑
DC并网变换器、储能电感和隔离型DC
‑
DC功率模块，所述电流源AC
‑
DC并网变换器的交流端作为交流并网端口连接电网，其直流端与所述储能电感和隔离型DC
‑
DC功率模块所属单相电流源DC
‑
AC变换器的直流端顺次串联，构成内部直流环路，所述隔离型DC
‑
DC功率模块所属单相电压源AC
‑
DC变换器的直流端作为低压直流端口，提供低压直流设备的能量交互端口，并基于此提出一种控制方法。
[0010]现有全隔离型或半隔离型双端口输入变换器中，可根据两输入端口相似程度，分
为对称型和非对称型两类。若变换器两输入端口分别独立运行时等效拓扑结构完全一致，则可称之为对称型双端口输入变换器，反之则为非对称性双端口输入变换器。接入双极直流系统的双极输入式变换器宜采用对称型双端口输入变换器。现有典型对称型双端口输入拓扑包括三电平变换器、双模块输入独立输出串并联变换器、基于三绕组变压器的三端口变换器等。其中，三电平变换器，所需开关器件数量较少、元器件复用程度高。然而，当某个输入端口发生短路故障时，此类变换器往往难以实现故障隔离。同时，在隔离变压器匝比一定的情况下，其输出电压到输入电压的变压比上限较低。输入独立输出串并联拓扑电路，结构清晰明确、模块间耦合程度较低。然而，其元器件数量通常较多，因而变换器整体效率提升受限。基于三绕组变压器的三端口耦合架构，相较于双模块组合架构，集成度更高。然而，其端口间功率交换耦合程度高，容易出现功率回流，从而影响变换器效率，且运行开关模态设计较复杂。
[0011]综上，现有各类对称型双端口输入拓扑，应用于双极直流系统关键负载可靠供电时，均在不同层面存在局限性。

技术实现思路

[0012]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器。
[0013]根据本专利技术提供的具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，包括：输入侧有源全桥AFB1、AFB2和输出侧半有源全桥SAFB；
[0014]所述AFB1与AFB2分别通过预设匝比的高频变压器与SAFB连接，两变压器输出串联，各端口等效漏感分别为L
k1
、L
k2
、L
k3
，AFB1与AFB2直流输入电压分别为V
pos
与V
neg
，SAFB输出电压为V
o
；
[0015]所述输入侧全桥AFB1包括开关管S
11
、S
12
、S
13
、S
14
，S
11
与S
12
漏极相连，共同连接至AFB1直流输入端正极；S
11
源极与S
13
漏极相连；S
12
源极与S
14
漏极相连；S
13
源极与S
14
源极相连，共同连接至AFB1直流输入端负极；
[0016]所述输入侧全桥AFB2包括开关管S
21
、S
22
、S
23
、S
24
，S
21
与S
22
漏极相连，共同连接至AFB2直流输入端正极；S
21
源极与S
23
漏极相连；S
22
源极与S
24
漏极相连；S
23
源极与S
24
源极相连，共同连接至AFB2直流输入端负极；
[0017]所述输出侧全桥SAFB包括二极管D
31
、D
32
以及开关管S
33
、S
34
，D
31...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，其特征在于，包括：输入侧全桥AFB1、AFB2和输出侧全桥SAFB；所述AFB1与AFB2分别通过预设匝比的高频变压器与SAFB连接；所述AFB1与AFB2分别通过预设匝比的高频变压器与SAFB连接，两变压器输出串联，各端口等效漏感分别为L
k1
、L
k2
、L
k3
，AFB1与AFB2直流输入电压分别为V
pos
与V
neg
，SAFB输出电压为V
o
；所述输入侧有源全桥AFB1包括开关管S
11
、S
12
、S
13
、S
14
，S
11
与S
12
漏极相连，共同连接至AFB1直流输入端正极；S
11
源极与S
13
漏极相连；S
12
源极与S
14
漏极相连；S
13
源极与S
14
源极相连，共同连接至AFB1直流输入端负极；所述输入侧有源全桥AFB2包括开关管S
21
、S
22
、S
23
、S
24
，S
21
与S
22
漏极相连，共同连接至AFB2直流输入端正极；S
21
源极与S
23
漏极相连；S
22
源极与S
24
漏极相连；S
23
源极与S
24
源极相连，共同连接至AFB2直流输入端负极；所述输出侧半有源全桥SAFB包括二极管D
31
、D
32
以及开关管S
33
、S
34
，D
31
与D
32
阴极相连，共同连接至SAFB直流输出端正极；D
31
阳极与S
33
漏极相连；D
32
阳极与S
34
漏极相连；S
33
源极与S
34
源极相连，共同连接至SAFB直流输出端负极。2.根据权利要求1所述的具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，其特征在于，在系统运行时，若所有端口及变换器内部所有开关均不存在故障，采用双端口输入模式；在发生故障后，根据故障位置，从双端口输入模式切换至单端口输入模式，或从双端口输入模式切换至输出端隔离模式；若变换器某个输入端口发生短路故障，则切换至单端口输入模式；若变换器输出端口发生短路故障，则需切换至输出端隔离模式；根据确定的模式切换依据，生成相应的开关驱动指令。3.根据权利要求1所述的具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，其特征在于，在输入端口故障时，对两个下半桥臂开关管保持导通而两个上半桥臂开关管保持关断，或将端口两个上半桥臂保持导通而两个下半桥臂开关管保持关断；将拓扑重构为半
‑
双有源桥，在隔离故障的同时保证负载功率供应，实现输入端口故障下的容错运行；在输出端口故障时，对该端口两个下半桥臂开关管同时导通，将拓扑重构为双有源桥，在切除故障的输出端口的同时，维持两输入端口间功率流动。4.根据权利要求1所述的具备端口短路故障容错运行能力的双输入半有源桥变换器，其特征在于，在双端口输入模式下，AFB1与AFB2各桥臂互补导通，对S
11
、S
14
，S
12
、S
13
，S
21
、S
24
，S
22
、S
23
分别同步开断，此时AFB1超前于AFB2，S
34
相对于S
11
的移相角为θ，其取值范围为[0，π]；输入端口间移相角为S
21
相对于S
11
滞后的移相角；在[t0，t4...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建军，陈奕嘉，朱淼，文书礼，蔡旭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：