[發明專利]直流電壓變換器

無效

• 申請號: 201210090213.9
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102638168A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 韓古月
• 申請（專利權）人: 韓古月
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M1/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種單向直流電壓轉換器的拓撲。本發明還涉及兩種該轉換器的控制方法。

背景技術

一方面，在中高壓直流線路中，為了實現電壓變換，一般采用先將電壓由直流變為交流，之后通過交流變壓器變壓，最后再變回直流的方式。而以上做法既導致輸電效率低，又需要大量功率器件。另一方面，在相同電壓等級和損耗要求下，三相交流輸電線路必須使用比直流輸電線路更多的材料。

德國學者R.Marguardt將半橋全控功率器件結構和電容并聯組成基本模塊，將該基本模塊串聯起來，應用于直流到交流或交流到直流的變換器，這種變換器被稱為模塊化多電平變換器(MMC)。由于電容上的電壓限制，使模塊中的全控功率器件不需承受過高的電壓，就能實現高電壓等級的直流到交流的變換。

上述的基本模塊中含有一種由兩個全控功率器件和反并聯二極管同向串聯構成的基本單元，也就是所謂的半橋。半橋有三個電壓引出點，可以被稱為負點n、中點o及正點p。在正點p和負點n之間并聯接入一個電容。則通過對半橋中全控功率器件的互補控制，實現中點o對負點n電壓值為電容電壓或為零。

發明內容

對于高壓直流變換器，不能使用傳統的buck、boost等直接的直流變換拓撲的原因，主要是受全控功率器件耐壓的限制。本發明利用前述的半橋結構并聯電容的基本模塊，將其應用于直流變換，以實現使用低耐壓等級的全控功率器件，在直流中高壓環境中直接進行電壓變換。

將兩個全控功率器件串聯再并聯電容的結構單元，稱為中間能量模塊。將n個中間能量模塊串聯起來，既可以承受直流高壓，也可以實現對某個直流變換單元的控制。所采用的控制方案是：將過程分為能量流入和流出中間能量模塊兩個階段，第一階段，控制輸入端的能量先流入n個中間能量模塊；第二階段，控制n個中間能量模塊的能量流入輸出端。使用高耐壓的半控功率器件，如晶閘管等，來實現輸入端、n個中間能量模塊和輸出端之間的導通和隔離。

將上述的直流變換單元并聯起來，可實現一個周期中，各個時段都有某個直流變換單元的電流流入高頻變壓器，這樣既可提高流入高頻變壓器的電流的頻率，也可減少相同功率下流入副邊的電流最大值。直流變換單元分為數量相等的兩組，與變壓器原邊端口的連接相反，從而實現高頻變壓器的磁通復位。

由上述原理，可以通過對中間能量模塊中可關斷功率半導體導通或關斷的控制，控制中間能量模塊輸出端電壓，從而實現流入流出電抗器的電流數值的控制，也就是實現了不同功率的能量傳送；實現中間能量模塊上電容電壓的數值控制；實現對輸出電容及并聯的輸出端上電壓數值的控制。這種控制是由采樣電路、數字芯片和脈沖發生電路實現的。

通過本發明所述的裝置，因其所用器件少，所以具有媲美交流變壓器的經濟性；因其輸入端和輸出端均為電容，所以具有媲美交流變壓器的穩定性和耐沖擊性能；因其結構簡單，所以具有媲美交流變壓器的體積；因為中間能量模塊的結構相同，便于封裝且有良好的冗余能力；因為中間能量模塊的可控性，可以實現不同輸入輸出電壓值的調節；因為中間能量模塊的數量，可以實現低電流紋波下的精確控制；因為采用直流變換單元的并聯，可以有效減小副邊電流的波動和最大值。

附圖說明

圖1以示意圖示出了本發明裝置的組成結構

圖2示出了本發明裝置中直流變換單元的拓撲結構

圖3示出了本發明裝置的中間能量模塊的一種實施例

圖4示出了本發明裝置的中間能量模塊的一種衍生實施例

圖5示出了本發明裝置中高頻變壓器的一種結構

圖6示出了本發明裝置中高頻變壓器的一種結構

圖7示出了本發明裝置包含兩個并聯的直流變換單元，每個單元采用三個中間能量模塊且省略電抗L₁和L₃時，采用一種控制方式，中間能量模塊上管控制電壓及中間支路上電抗L₁₂，L₂₂上的電流

圖8示出了本發明裝置包含兩個并聯的直流變換單元，每個單元采用三個中間能量模塊且省略電抗L₁和L₃時，采用一種控制方式，中間能量模塊上管控制電壓及中間支路上電抗L₁₂，L₂₂上的電流

具體實施方式

如圖1所示，本發明設計的裝置由原邊及可選的濾波電路，數個并聯的直流變換單元，可選的變壓器和副邊及其濾波電路組成。