專利名稱：直流電壓變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于轉(zhuǎn)換直流電壓的裝置。
背景技術(shù)：
在中高壓輸電線路中，為了實現(xiàn)電壓幅值的變換，可以采用先將電壓由直流變?yōu)榻涣?，之后通過變壓器變壓，最后再變回直流的方式，一般來說，器件的耐壓是這種變壓方式的瓶頸。德國學(xué)者R. Marguardt將由半橋功率器件結(jié)構(gòu)及電容組成的基本模塊串聯(lián)起來， 應(yīng)用于直流到交流或交流到直流的變換場合，這種結(jié)構(gòu)稱為模塊化多電平變換器(MMC)。由于電容的電壓限制作用，使模塊中的功率器件不需承受過高的電壓，就能實現(xiàn)高電壓等級的直流-交流變換。上述的基本模塊中含有一種由兩個可關(guān)斷功率半導(dǎo)體和反并聯(lián)二極管同向串聯(lián)構(gòu)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(fù)點、中點及正點。在正點和負(fù)點之間并聯(lián)接入一個電容。則通過對可關(guān)斷功率半導(dǎo)體的分別控制，可以實現(xiàn)中點對負(fù)點電壓值為電容電壓或為零。對上述的基本模塊，其中的反并聯(lián)二極管也可以由一個可關(guān)斷功率半導(dǎo)體替代。

發(fā)明內(nèi)容
為了突破可控功率器件耐壓的限制，同時拓展變換器的升壓或降壓比，本發(fā)明利用前述的半橋結(jié)構(gòu)再并聯(lián)電容的基本模塊，將其應(yīng)用于直流變換，以實現(xiàn)使用低耐壓等級的可控功率器件，在直流中高壓環(huán)境中進(jìn)行電壓變換。該變換器由高壓逆變部分，高頻變壓器，高壓整流部分三部分組成。將兩個功率半導(dǎo)體串聯(lián)后再并聯(lián)電容的結(jié)構(gòu)，稱為中間能量模塊。高壓逆變端由η個中間能量模塊串并聯(lián)組成，這樣既可以承受直流高壓，也可以實現(xiàn)對整個變換器的控制。高頻變壓器的副端根據(jù)所采用的整流拓?fù)?，可以采取有中心抽頭或無中心抽頭的結(jié)構(gòu)。高壓整流端由耐高壓不控功率器件、電感和電容等器件組成。如果將中間能量模塊上電流流過模塊電容稱為中間能量模塊切入電路，將電流只流過功率器件稱為中間能量模塊切出電路，則可以通過控制切入切出電路的中間能量模塊的數(shù)量，在高頻變壓器原端產(chǎn)生所需的周期電壓或電流。之后通過高頻變壓器副端的整流電路，將能量送至直流輸出端。由上述原理，可以通過對中間能量模塊中可關(guān)斷功率半導(dǎo)體導(dǎo)通或關(guān)斷的控制， 控制中間能量模塊輸出端電壓，從而實現(xiàn)流入流出電抗器的電流數(shù)值的控制，也就是實現(xiàn)了不同功率的能量傳送；實現(xiàn)中間能量模塊上電容電壓的數(shù)值控制；實現(xiàn)對輸出電容及并聯(lián)的輸出端上電壓數(shù)值的控制。這種控制是由采樣電路、數(shù)字芯片和脈沖發(fā)生電路實現(xiàn)的。通過本發(fā)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(jīng)濟(jì)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(wěn)定性和耐沖擊性能；因其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相同，便于封裝且有良好的冗余能力；因為中間能量模塊的數(shù)量，可以實現(xiàn)低電流紋波下的精確控制；因為采用高頻變壓器，可以在實現(xiàn)更大變比的同時有效的減少整體尺寸，降低損耗。


圖1以示意圖示出了本發(fā)明裝置的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2示出了本發(fā)明裝置的中間能量模塊的實施例圖3示出了本發(fā)明裝置的中間能量模塊的一種衍生實施例圖4示出了一種包含中間能量模塊的全橋結(jié)構(gòu)的示意5示出了兩種包含中間能量模塊的半橋結(jié)構(gòu)的示意6示出了一種包含中間能量模塊的半橋LLC結(jié)構(gòu)和一種包含中間能量模塊的推挽結(jié)構(gòu)的示意7示出了三種可采用的副邊整流結(jié)構(gòu)，即全橋結(jié)構(gòu)、倍流整流結(jié)構(gòu)和半橋結(jié)構(gòu)的示意8示出了一種衍生的中間能量模塊結(jié)構(gòu)圖9示出了一種包含中間能量模塊的正激結(jié)構(gòu)和一種包含中間能量模塊的反激結(jié)構(gòu)的示意10示出了兩種可采用的簡化副邊整流結(jié)構(gòu)，即正激副邊結(jié)構(gòu)、反激副邊結(jié)構(gòu)的示意圖
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明涉及的裝置可以將一側(cè)的電壓為U1的電壓源的能量經(jīng)由逆變單元變至所需的周期波形。通過高頻變壓器的轉(zhuǎn)換，將能量輸送至副邊。通過副邊整流結(jié)構(gòu)及濾波，將能量送至電壓為U2的電壓源。如圖2所示，對中間能量模塊的控制指的是半橋中上端可控功率半導(dǎo)體導(dǎo)通而下端可控功率半導(dǎo)體阻斷，中間能量模塊輸出端電壓為模塊內(nèi)電容上電壓；半橋中上端可控功率半導(dǎo)體阻斷而下端可控功率半導(dǎo)體導(dǎo)通，中間能量模塊輸出端電壓為零。中間能量模塊還可以采用圖3所示的結(jié)構(gòu)。對中間能量模塊的控制采用對偶的方式，即如果上管驅(qū)動信號為導(dǎo)通，則下管信號為關(guān)閉。采用全橋結(jié)構(gòu)的含中間能量模塊的逆變單元如圖4所示，每個橋臂由η個中間能量模塊組成，每個能量模塊電容上電壓為Uin/n，通過控制1、4橋臂上切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，可以形成一個幅值從+Uin/2到-Uin/2范圍內(nèi)的U。a，其電平數(shù)目n+1個。為同理，可以通過控制2、3橋臂上切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，可以形成一個幅值從 +Uin/2到-Uin/2范圍內(nèi)的U。b，其電平數(shù)目n+1個。這樣，通過Uoa和Uob的疊加，Uout上能形成電平數(shù)目為2n+l個，幅值為+Uin到-Uin的周期電壓。采用半橋結(jié)構(gòu)的含中間能量模塊的逆變單元如圖5所示，其中圖5 (A)的一側(cè)引出點為輸入直流源的中點，其中圖5(B)的一側(cè)引出點為輸入直流源的負(fù)點。以上兩種的區(qū)別是輸出電壓Uout的范圍分別為+Uin/2到-Uin/2或+Uin到0，而其原理和圖4所示的全橋結(jié)構(gòu)類似，都是通過控制切入或切出的中間能量模塊的數(shù)量，在輸出端形成n+1電平的周期
4電壓。圖6(A)示出了采用LLC結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的半橋結(jié)構(gòu)逆變單元。其工作原理為通過LLC器件的諧振功能，更高效率的將能量傳送至輸出端。圖6 (B)示出了采用推挽結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的逆變單元。每個橋臂上中間能量模塊的電容電壓為2Uin/n，于是 Uoa的幅值范圍為+Uin到-uin，Uob有同樣的幅值范圍，由此通過的Uoa和Uob的疊加，可在輸出端Uout上形成最大幅值為+2Uin到-2Uin的周期電壓。圖7示出了三種典型的整流結(jié)構(gòu)。圖7(A)為全橋整流結(jié)構(gòu)，圖7(B)為倍流整流結(jié)構(gòu)，圖7(C)為半橋整流結(jié)構(gòu)。以上三種結(jié)構(gòu)在低壓變頻器中較為常見，在本發(fā)明的拓?fù)渲?，和低壓變頻器的區(qū)別是采用高耐壓的不控功率器件。三種結(jié)構(gòu)中，全橋結(jié)構(gòu)器件較多， 但每個器件所需承受的電壓較低；倍流整流結(jié)構(gòu)采用兩個電感進(jìn)行均壓從而節(jié)省了兩個不控功率器件；半橋結(jié)構(gòu)使用的不控功率器件是全橋的一半，但是每個器件的耐壓要求是全橋的一倍。圖8示出了一種中間能量模塊的衍生例。使用模塊串聯(lián)來提高橋臂的耐壓，給每個橋臂上的中間能量模塊相同的&開通關(guān)斷信號，以控制每個橋臂的η個模塊的T2同時開通和關(guān)斷。由于各模塊的實際開關(guān)時間必然有差異，則通過中間能量模塊上的電容Cm限制模塊兩端的電壓，以保護(hù)模塊。當(dāng)模塊上電容電壓超過一定限值，給出觸發(fā)信號&使1\開通，通過&對電容Cm進(jìn)行放電?？梢詫D8所述結(jié)構(gòu)應(yīng)用于圖4、圖5、圖6等各結(jié)構(gòu)，且可以省略均壓電感。還可以將其用于圖9(A)所示的基于正激結(jié)構(gòu)，且含中間能量單元的逆變單元，和圖9(B)所示的基于反激結(jié)構(gòu)，且含中間能量模塊的逆變單元。其工作原理和低壓正激變頻器或低壓反激變頻器相同。另一方面，圖9中所述結(jié)構(gòu)也可以采用圖2、圖3中示出的中間能量模塊。高壓逆變器采用以上兩種方式時，整流單元可采用如圖10(A)和圖10(B)所示的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中除了采用耐高壓的不控功率器件外，均和低壓正激變頻器或低壓反激變頻器相同。
權(quán)利要求
1.一種用于直流中高壓環(huán)境中的電壓變換器，其特征是，該電壓變換器包括，高壓逆變部分，高頻變壓器，高壓整流部分三部分，其中，高壓逆變部分包含數(shù)個橋臂，每個橋臂為一定數(shù)量的中間能量單元模塊和一個限流電感Lm串聯(lián)，中間能量模塊的結(jié)構(gòu)為兩個功率單元串聯(lián)，再與電容Cm并聯(lián)，功率模塊的中間連接點和電容負(fù)極作為該中間能量模塊的輸出點串聯(lián)接入中間支路，每個功率模塊由全控功率器件和反并二極管或反并功率器件組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含4個由中間能量模塊組成的橋臂，組成全橋結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個由中間能量模塊組成的橋臂，組成半橋結(jié)構(gòu)，輸出的一個引出點為兩橋臂連接點，另一個引出點為輸入電源的中點或輸入電源的某一極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和3所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個由中間能量模塊組成的橋臂，組成半橋LLC結(jié)構(gòu)，半橋LLC為權(quán)利要求3所述的半橋結(jié)構(gòu)增加一個電容和一個電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器，其特征是，高壓逆變部分包含2個由中間能量模塊組成的橋臂，組成推挽結(jié)構(gòu)，2個橋臂的一端均和輸入電源的一端相連，另一端分別連接高頻變壓器的兩端，而輸入電源的另一端和高頻變壓器的原邊中間抽頭相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的電壓變換器，其特征是，高壓整流部分采取全橋整流、倍流整流或半橋整流中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的電壓變換器，中間能量模塊的結(jié)構(gòu)為三條支路并聯(lián)，支路一為二極管串聯(lián)全控功率器件和反并二極管，支路二為模塊電容，支路三為全控功率器件串聯(lián)電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的電壓變換器，高壓逆變部分包含1個由中間能量模塊組成的橋臂，組成正激或反激結(jié)構(gòu)，每個橋臂采用相同的控制脈沖和權(quán)利要求1或權(quán)利要求7 所述的結(jié)構(gòu)
9.根據(jù)權(quán)利要求1和7和8所述的電壓變換器，高壓整流部分采用正激或反激拓?fù)涞母边吔Y(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明為一種直流電壓變換器，可適用于各類中高壓直流系統(tǒng)。該變換器的拓?fù)溆赡孀儾糠郑哳l變壓器部分，整流部分組成。通過含有中間能量模塊的逆變部分，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交變電壓，其中中間能量模塊的作用是提高耐壓；通過高頻變壓器，在改變電壓幅值的同時，將能量送至副邊；通過整流部分，將交變電壓變?yōu)橹绷鳌Ｒ陨纤龅哪孀儾糠挚梢圆捎萌珮蚪Y(jié)構(gòu)、半橋結(jié)構(gòu)、半橋LLC結(jié)構(gòu)、推挽結(jié)構(gòu)、反激結(jié)構(gòu)和正激結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提出了半橋以外的中間能量模塊拓?fù)?，可以?yīng)用于上述逆變部分各結(jié)構(gòu)。以上所述的整流部分可以采用全橋結(jié)構(gòu)、半橋結(jié)構(gòu)、倍流整流結(jié)構(gòu)或正反激拓?fù)渲械暮喕边吔Y(jié)構(gòu)。
文檔編號H02M3/24GK102403903SQ201110424578
公開日2012年4月4日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者韓古月 申請人:韓古月