[發明專利]一種雙極性雙向直流變壓器

在審

• 申請號: 202011306469.X
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112491272A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 常瀟;王金浩;高樂;唐保國;劉翼肇;劉志良;李勝文;張昊;樊瑞;趙軍;張敏;肖瑩;馮磊;孟潤泉
• 申請（專利權）人: 國網山西省電力公司電力科學研究院;國網山西省電力公司;太原理工大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/38
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發明涉及電功率變換器領域。一種雙極性雙向直流變壓器，包括4個絕緣柵雙極晶體管、2個電感和4個電容，該雙極性雙向直流變壓器高壓正極+HV連接第一絕緣柵雙極晶體管Q1的集電極、第一電容的C1的一端，該雙極性雙向直流變壓器的高壓正極?HV連接第三絕緣柵雙極晶體管Q3的發射極、第二電容的C2的一端。本發明既可以實現雙極供電，有可以實現單極獨立供電，提高了供電的靈活性與可靠性。

技術領域

本發明涉及電功率變換器領域。

背景技術

直流變壓器是一種基于電力電子變換技術的電功率變換器，是連接兩種不同電壓值的直流母線的關鍵設備。低壓直流配電網可分為單極供電與雙極供電，其中雙極供電具有更高的靈活性與可靠性，且雙極供電有偽雙極和真雙極兩種實現形式。為了滿足不同的供電方式，需要不同結構的直流變壓器，因此根據輸出電壓的極性可將直流變壓器分為單極型、偽雙極型與真雙極型。其中單極型直流變壓器僅需滿足功率額定值與能量雙向流動這兩點，設計成本最低；偽雙極型直流變壓器一般通過接地電阻或電容的中點接地，設計起來也很方便，但缺點是負載只能接到正輸出母線與負輸出母線之間，正、負輸出母線不可單獨帶負載；真雙極型直流變壓器不僅可以將負載接到正輸出母線與負輸出母線之間，而且正、負輸出母線可以單獨帶負載或者帶不平衡負載，但其設計起來也更困難一些，目前的研究成果也比較有限。隨著用戶對配電網靈活性與可靠性的要求越來越高，具有真雙極特性的直流變壓器將具有更廣泛的應用前景與市場價值。

直流變壓器根據輸入側與輸出側有無直接電氣上的連接可分為隔離型與非隔離型，目前各種具有真雙極特性的直流變壓器主電路拓撲電路大多針對隔離型來設計，雖然可靠性更高一些，但由于隔離變壓器的存在，會影響運行效率的提高。專利CN202010076552.6“一種具有雙極輸出電壓自平衡能力的直流固態變壓器”，提出了一種具有雙極輸出電壓自平衡能力的直流固態變壓器，直接實現雙極輸出，無需額外的開關器件。該直流變壓器適用于對效率要求不高，而對設計成本要求較高的場合；專利CN201910962620.6“雙極性直流變壓器、及其控制方法和裝置”，提出一種含多個功率子模塊的具有真雙極特性的直流變壓器，適用于中高壓大功率場合，可靠性較高，但由于功率子模塊內部拓撲同樣采用隔離型拓撲，因此無法實現較高的效率，且其設計成本也比較高。

對于一些對效率要求特別高的場合，通常采用非隔離型拓撲，其中半橋型非隔離拓撲不僅效率可以滿足98%以上的要求，且適用于大功率場合，在低壓用直流變壓器中應用廣泛。專利CN201820920739.8“一種低壓直流雙向雙極性DCDC變換器”，提出一種非隔離型低壓直流雙向雙極性DCDC變換器，能實現能量雙向流動，并保證雙極直流電壓平衡，但由于其輸入側上端與上一級直流正母線相連，下端與上一級直流負母線相連，一旦上一級正母線或負母線由于檢修等原因需要斷開時，該直流變壓器輸出側就無法僅以單極性運行，其運行可靠性不高。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：如何克服當前具有雙極性特性的直流變壓器運行效率不夠高、設計成本比較大的缺點，提出一種具有雙極性輸出特性的非隔離型直流變壓器，適用于低壓配電網，滿足能量雙向流動、雙極性輸入輸出、既能雙極運行又能單極獨立運行的高效、可靠的真雙極直流變壓器。

本發明所采用的技術方案是：一種雙極性雙向直流變壓器，包括4個絕緣柵雙極晶體管、2個電感和4個電容，該雙極性雙向直流變壓器高壓正極+HV連接第一絕緣柵雙極晶體管Q1的集電極、第一電容的C1的一端，該雙極性雙向直流變壓器的高壓正極-HV連接第三絕緣柵雙極晶體管Q3的發射極、第二電容的C2的一端，第一絕緣柵雙極晶體管Q1的發射極分別連接第二絕緣柵雙極晶體管Q2的集電極和第一電感L1的一端，第三絕緣柵雙極晶體管Q3的集電極分別連接第四絕緣柵雙極晶體管Q4的發射極和第二電感L2的一端，該雙極性雙向直流變壓器的低壓正極+LV連接第一電感L1的另一端和第三電容的C3的一端，該雙極性雙向直流變壓器的低壓負極-LV連接第二電感L2的另一端和第四電容的C4的一端，第一電容的C1的另一端、第二電容的C2的另一端、第三電容的C3的另一端、第四電容的C4的另一端、第二絕緣柵雙極晶體管Q2的發射極、第四絕緣柵雙極晶體管Q4的集電極接地。