双向直流变换器及其宽范围运行调制方法技术

本发明专利技术属于电力电子变换器领域，具体涉及了一种双向直流变换器及其宽范围运行调制方法，旨在解决常规大功率双向变换器工作电压低、运行范围窄的问题。本发明专利技术包括：在高压侧和低压侧采用半桥串联的结构；分别在高压侧串联高压侧滤波电容和高压侧高频谐振模块；分别在低压侧串联低压侧滤波电容和低压侧高频谐振模块；高压侧和低压侧通过高频变压器连接。本发明专利技术变换器适用于高电压应用中，并通过综合采用四种调制策略，使变换器适用于宽范围运行工况，同时保证谐振腔的等效增益范围变化较小，开关频率变化范围较窄。本发明专利技术具有结构简单、效率高、工作范围宽的优点，特别适合应用于电力电子变压器等中压电压的应用场合。力电子变压器等中压电压的应用场合。力电子变压器等中压电压的应用场合。

【技术实现步骤摘要】
双向直流变换器及其宽范围运行调制方法


[0001]本专利技术属于电力电子变换器领域，具体涉及了一种双向直流变换器及其宽范围运行调制方法。

技术介绍

[0002]近年来，电力电子变压器由于具有很高的可控性，以及功率潮流控制、电能质量控制、多端口接入等功能和高功率密度、高效率等优点，受到了广大学者的关注，被认为是未来柔性配电网能源路由的关键装备。
[0003]目前，基于模块化级联结构的隔离型电力电子变压器是目前高压大容量下应用的主要方案，其中隔离型双向直流变换器是其中实现高压电气隔离、电压变换等核心功能的关键环节，其对整个系统的效率、功率密度、可靠性、可控性等性能具有关键作用。然而，由于功率器件耐压、隔离型电路拓扑等方面的限制，使得直流变换模块电压低、级联数量多、电压变化范围窄，导致系统结构复杂、可靠性低、成本高、体积和重量大等问题，这些问题已成为制约系统功率密度提高的最主要障碍。
[0004]通过采用高压功率器件，可极大的提升直流变换模块的电压等级，减少模块数量，但10kV甚至更高电压等级的功率器件在驱动、保护等应用技术和系统可靠性、大功率应用等方面仍有较大挑战，而且，其基于常规拓扑仍无法解决宽电压范围运行的难题。采用多电平技术的直流变换器虽然可采用常规电压较低的功率器件满足高电压、大功率的应用要求，但随着电压的升高，需要的电容或二极管数量会增加，电路拓扑也变得十分复杂，且存在电容分压不均、钳位管电压应力高等问题，为其在高电压双向直流变换器中的应用带来极大挑战，另外，其调制模式与常规两电平拓扑相同，同样仍无法解决宽电压范围运行的难题。
[0005]综上所述，基于现有电压等级较低的商业器件，如何构造具有更高电压等级、更宽工作范围且结构简洁、集成度高、灵活实用的双向直流电路拓扑是目前电力电子变压器中亟需解决的关键问题之一。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中的上述问题，即常规大功率双向变换器工作电压低、运行范围窄的问题，本专利技术提供了一种双向直流变换器，该双向直流变换器包括高压侧滤波电容、高压侧半桥串联模块、高压侧高频谐振模块、高频变压器、低压侧高频谐振模块、低压侧半桥串联模块和低压侧滤波电容；
[0007]所述高压侧滤波电容包括串联的电容C
H1
和电容C
H2
，用于对高压侧电压进行滤波；
[0008]所述低压侧滤波电容包括串联的电容C
L1
和电容C
L2
，用于对低压侧电压进行滤波；
[0009]所述高压侧半桥串联模块包括串联的第一半桥和第二半桥，所述第一半桥包括串联的开关管Q1和开关管Q2，所述第二半桥包括串联的开关管Q3和开关管Q4，当功率从高压侧流向低压侧时，用于将高压侧直流逆变为高频交流并输入高压侧高频谐振模块，当功率从
低压侧流向高压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；
[0010]所述低压侧半桥串联模块包括串联的第三半桥和第四半桥，所述第三半桥包括串联的开关管S1和开关管S2，所述第四半桥包括串联的开关管S3和开关管S4，当功率从低压侧流向高压侧时，用于将低压侧直流逆变为高频交流并输入低压侧高频谐振模块，当功率从高压侧流向低压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；
[0011]所述高压侧高频谐振模块包括谐振电感L
rp
和谐振电容C
rp
，用于通过高频谐振实现高压侧开关管的软开关；
[0012]所述低压侧高频谐振模块包括谐振电感L
rs
和谐振电容C
rs
，用于通过高频谐振实现低压侧开关管的软开关；
[0013]所述变频变压器，用于实现高压侧和低压侧之间的高频隔离和功率传递。
[0014]在一些优选的实施例中，所述电容C
H1
的正极连接至高压侧直流电源正极，所述电容C
H2
的负极连接至高压侧直流电源负极；
[0015]所述电容C
H1
的负极连接至所述电容C
H2
的正极，记作连接点a，所述电容C
H1
和所述电容C
H2
串联构成所述高压侧滤波电容。
[0016]在一些优选的实施例中，所述电容C
L1
的正极连接至低压侧直流电源正极，所述电容C
L2
的负极连接至低压侧直流电源负极；
[0017]所述电容C
L1
的负极连接至所述电容C
L2
的正极，记作连接点b，所述电容C
L1
和所述电容C
L2
串联构成所述低压侧滤波电容。
[0018]在一些优选的实施例中，所述开关管Q1的源极连接至所述开关管Q2的漏极，作为高压侧第一桥臂中点；
[0019]所述开关管Q3的源极连接至所述开关管Q4的漏极，作为高压侧第二桥臂中点；
[0020]所述开关管Q2的源极和所述开关管Q3的漏极连接至所述连接点a；
[0021]所述开关管Q1的漏极连接至所述电容C
H1
的正极；
[0022]所述开关管Q4的源极连接至所述电容C
H2
的负极。
[0023]在一些优选的实施例中，所述开关管S1的源极连接至所述开关管S2的漏极，作为低压侧第一桥臂中点；
[0024]所述开关管S3的源极连接至所述开关管S4的漏极，作为低压侧第二桥臂中点；
[0025]所述开关管S2的源极和所述开关管S3的漏极连接至所述连接点b；
[0026]所述开关管S1的漏极连接至所述电容C
L1
的正极；
[0027]所述开关管S4的源极连接至所述电容C
L2
的负极。
[0028]在一些优选的实施例中，所述谐振电感L
rp
的第一连接端连接至所述高压侧第一桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器高压侧第一连接端；
[0029]所述谐振电容C
rp
的第一连接端连接至所述高压侧第二桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器高压侧第二连接端；
[0030]所述谐振电感L
rs
的第一连接端连接至所述低压侧第一桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器低压侧第一连接端；
[0031]所述谐振电容C
rs
的第一连接端连接至所述低压侧第二桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器低压侧第二连接端。
[0032]本专利技术的另一方面，提出了一种双向直流变换器的宽范围运行调制方法，基于上
述的双向直流变换器，该运行调制方法包括：
[0033]步骤S10，所述开关管Q1和所述开关管Q2互补运行，所述开关管Q3和所述开关管Q4互补运行，所述开关管S1和所述开关管S2互补运行，所述开关管S3和所述开关管S4互补运行，设定所述双向直流变换器输出功率P
o
的阈值功率P
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向直流变换器，其特征在于，该双向直流变换器包括高压侧滤波电容、高压侧半桥串联模块、高压侧高频谐振模块、高频变压器、低压侧高频谐振模块、低压侧半桥串联模块和低压侧滤波电容；所述高压侧滤波电容包括串联的电容C
H1
和电容C
H2
，用于对高压侧电压进行滤波；所述低压侧滤波电容包括串联的电容C
L1
和电容C
L2
，用于对低压侧电压进行滤波；所述高压侧半桥串联模块包括串联的第一半桥和第二半桥，所述第一半桥包括串联的开关管Q1和开关管Q2，所述第二半桥包括串联的开关管Q3和开关管Q4，当功率从高压侧流向低压侧时，用于将高压侧直流逆变为高频交流并输入高压侧高频谐振模块，当功率从低压侧流向高压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；所述低压侧半桥串联模块包括串联的第三半桥和第四半桥，所述第三半桥包括串联的开关管S1和开关管S2，所述第四半桥包括串联的开关管S3和开关管S4，当功率从低压侧流向高压侧时，用于将低压侧直流逆变为高频交流并输入低压侧高频谐振模块，当功率从高压侧流向低压侧时，用于对输入的高频交流进行整流；所述高压侧高频谐振模块包括谐振电感L
rp
和谐振电容C
rp
，用于通过高频谐振实现高压侧开关管的软开关；所述低压侧高频谐振模块包括谐振电感L
rs
和谐振电容C
rs
，用于通过高频谐振实现低压侧开关管的软开关；所述变频变压器，用于实现高压侧和低压侧之间的高频隔离和功率传递。2.根据权利要求1所述的双向直流变换器，其特征在于，所述电容C
H1
的正极连接至高压侧直流电源正极，所述电容C
H2
的负极连接至高压侧直流电源负极；所述电容C
H1
的负极连接至所述电容C
H2
的正极，记作连接点a，所述电容C
H1
和所述电容C
H2
串联构成所述高压侧滤波电容。3.根据权利要求2所述的双向直流变换器，其特征在于，所述电容C
L1
的正极连接至低压侧直流电源正极，所述电容C
L2
的负极连接至低压侧直流电源负极；所述电容C
L1
的负极连接至所述电容C
L2
的正极，记作连接点b，所述电容C
L1
和所述电容C
L2
串联构成所述低压侧滤波电容。4.根据权利要求3所述的双向直流变换器，其特征在于，所述开关管Q1的源极连接至所述开关管Q2的漏极，作为高压侧第一桥臂中点；所述开关管Q3的源极连接至所述开关管Q4的漏极，作为高压侧第二桥臂中点；所述开关管Q2的源极和所述开关管Q3的漏极连接至所述连接点a；所述开关管Q1的漏极连接至所述电容C
H1
的正极；所述开关管Q4的源极连接至所述电容C
H2
的负极。5.根据权利要求4所述的双向直流变换器，其特征在于，所述开关管S1的源极连接至所述开关管S2的漏极，作为低压侧第一桥臂中点；所述开关管S3的源极连接至所述开关管S4的漏极，作为低压侧第二桥臂中点；所述开关管S2的源极和所述开关管S3的漏极连接至所述连接点b；所述开关管S1的漏极连接至所述电容C
L1
的正极；所述开关管S4的源极连接至所述电容C
L2
的负极。6.根据权利要求5所述的双向直流变换器，其特征在于，所述谐振电感L
rp
的第一连接端
连接至所述高压侧第一桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器高压侧第一连接端；所述谐振电容C
rp
的第一连接端连接至所述高压侧第二桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器高压侧第二连接端；所述谐振电感L
rs
的第一连接端连接至所述低压侧第一桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器低压侧第一连接端；所述谐振电容C
rs
的第一连接端连接至所述低压侧第二桥臂中点，第二连接端连接至所述变频变压器低压侧第二连接端。7.一种双向直流变换器的宽范围运行调制方法，其特征在于，基于权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：曹国恩，王一波，王哲，霍辰，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：