二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，尤其涉及用于直流變換的二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，可應(yīng)用于直流輸電等高壓大功率場合的直接直流電能電壓等級(jí)變換，屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]與交流輸電相比，高壓直流輸電具有輸送功率容量大、損耗小、輸送距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，其有廣闊的應(yīng)用前景。目前在高壓直流輸電系統(tǒng)中整流側(cè)和逆變側(cè)，仍然要體積大、質(zhì)量大的工頻變壓器來實(shí)現(xiàn)和交流電網(wǎng)相連。直流輸電仍然作為交流輸電一種輔助功能，沒有直接用于用電設(shè)備。隨著直流輸電技術(shù)和新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，直流輸配電將會(huì)和交流網(wǎng)絡(luò)同時(shí)運(yùn)行，為了適應(yīng)將來將直流網(wǎng)絡(luò)直接應(yīng)用于用電設(shè)備，尤其對(duì)大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電等獨(dú)立電力系統(tǒng)，原方案就顯得笨重而不經(jīng)濟(jì)。需要具有和交流變壓器功能類似的直流變壓裝置，將高壓直流電轉(zhuǎn)換成隔離的滿足用電設(shè)備要求的不同電壓等級(jí)的直流電能。
[0003]通過電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的新型變壓器一電力電子變壓器(PET)得到了越來越多的關(guān)注，直流變壓器就是其中的一種。直流變壓器在接近100%的等效占空比下工作，輸出省去了濾波電感，結(jié)構(gòu)簡單；采用開環(huán)控制，易于實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可進(jìn)一步提尚開關(guān)頻率，提尚功率密度。
[0004]由于直流輸電等場合的電壓等級(jí)較高，容量比較大，直流變壓器的電壓等級(jí)在不斷提高、功率也不斷增大，且對(duì)所使用的功率開關(guān)的耐壓等級(jí)和功率等級(jí)的要求也越來越高。功率開關(guān)串聯(lián)直流變壓器是實(shí)現(xiàn)高壓大功率直流變壓器的一個(gè)重要方法，而功率開關(guān)串聯(lián)直流變壓器的關(guān)鍵，是保證電路中的功率開關(guān)兩端電壓1^的均衡，防止功率開關(guān)因出現(xiàn)過壓而損壞。電壓均衡主要包括靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓兩個(gè)部分。靜態(tài)均壓，指各功率開關(guān)兩端電壓1^在功率開關(guān)開通穩(wěn)態(tài)和關(guān)斷穩(wěn)態(tài)下保持平衡；動(dòng)態(tài)均壓，指各功率開關(guān)兩端電壓UeE在功率開關(guān)開通和關(guān)斷瞬間保持電壓平衡。串聯(lián)功率開關(guān)的均壓取決于很多因素，比如主電路雜散電容、門極驅(qū)動(dòng)的寄生電容、功率開關(guān)寄生參數(shù)和門極驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)等。當(dāng)所使用的功率開關(guān)的生產(chǎn)廠家相同時(shí)，其他參數(shù)基本相同，此時(shí)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步成為影響最大的因素。門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步會(huì)導(dǎo)致開通過程中滯后的器件上產(chǎn)生電壓尖峰和較高的靜態(tài)電壓，導(dǎo)致各功率開關(guān)電壓不均衡。門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步程度，取決于控制電路和控制電路與門極驅(qū)動(dòng)之間的傳輸線路，因此其不同步程度很難提前預(yù)料。門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同步一般為幾十納秒至幾百納秒。而串聯(lián)功率開關(guān)直流變壓器要保證即使串聯(lián)的各個(gè)功率開關(guān)門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間存在不同步也能正常運(yùn)行。
[0005]因此，針對(duì)這一要求，設(shè)計(jì)能自均壓的高壓串聯(lián)功率開關(guān)直流變壓器，電路結(jié)構(gòu)簡潔，控制策略簡單，功率開關(guān)的均壓效果好，是實(shí)現(xiàn)高壓大功率直流變壓器的可行途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明公開的二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，可分為一種單向二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器和一種雙向二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，要解決的技術(shù)問題是提供可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)功率開關(guān)的兩端電壓均衡，并限制功率開關(guān)兩端電壓，滿足高壓大功率應(yīng)用的二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器。
[0007]所述的一種雙向二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器還可解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)直流電壓的雙向變壓。
[0008]本發(fā)明公開的一種單向二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，包括輸入側(cè)直流母線電容Cin、隔直電容C。、高頻變壓器Tr、單相整流橋REC、輸出側(cè)直流母線電容C-和輔助電路，所述的輔助電路分為A路輔助電路和B路輔助電路。本發(fā)明公開的一種單向二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)高壓直流變壓器，還包括兩路并聯(lián)的單路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)，分別為A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和B路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述的單個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)用于使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的電容之間的電壓均衡和使功率開關(guān)之間的電壓均衡，同時(shí)所述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)分別與輔助電路(A、B)結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)限制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的功率開關(guān)兩端電壓。所述的單路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)由偶數(shù)個(gè)二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元串聯(lián)組成，所述的單個(gè)二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元包括功率開關(guān)！\(1 ( i ( 2n)、鉗位二極管Du(l ( i ( 2n)、鉗位電容CJ1彡i彡2n)和續(xù)流二極管Dl2(2 ( i ( 2n)，功率開關(guān)?\ (1彡i彡2n)的集電極與鉗位電容Cjl < i < 2n)的一端相連，鉗位電容Cjl < i < 2n)的另一端與鉗位二極管Du (1彡i彡2n)的陽極相連，鉗位二極管Du (1彡i彡2n)的陰極與功率開關(guān)?\ (1彡i彡2η)的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管Dl2(2彡i彡2n)的陽極與鉗位二極管Du(l彡i彡2n)的陽極相連。在組成單路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)時(shí)，第一個(gè)二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元僅由功率開關(guān)?\、鉗位二極管Dn和鉗位電容q組成。單路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(A、B)中相鄰的兩個(gè)二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元組成二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元組，相鄰的兩個(gè)二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元的連接關(guān)系為:續(xù)流二極管D(1+1)2(l ( i ( 2n-l)的陰極與鉗位二極管Du(l2n_l)的陽極相連，功率開關(guān)?\ (1 ^ i ^ 2n_l)的發(fā)射極與功率開關(guān)T{1+1) (1^ ?^Ξ 2η-1)的集電極相連。所述二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元組用于使單元組內(nèi)所包含的兩個(gè)電容之間的電壓均衡和使功率開關(guān)之間的電壓均衡，同時(shí)用于限制單元組內(nèi)所包含的功率開關(guān)兩端電壓。
[0009]輸入側(cè)直流母線電容Cin的正極與A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)TA1的集電極相連，輸入側(cè)直流母線電容Cin的負(fù)極與A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)Τ A2n的發(fā)射極相連；隔直電容C。的一端與A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)TAn的發(fā)射極相連，隔直電容C。的另一端與高頻變壓器Tr初級(jí)的一端相連；所述高頻變壓器Tr初級(jí)的另一端與B路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中功率開關(guān)TBn的發(fā)射極相連；高頻變壓器Tr的次級(jí)與所述單相整流橋REC的交流輸入端并聯(lián)；單相整流橋REC的直流輸出端的正極與輸出側(cè)母線電容(；ut的正極相連，單相整流橋REC的直流輸出端的負(fù)極與輸出側(cè)母線電容(；ut的負(fù)極相連。
[0010]所述的A路輔助電路和A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成A路橋臂，所述的A路輔助電路和A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)限制A路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的功率開關(guān)兩端電壓。所述的B路輔助電路和B路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成B路橋臂，所述的B路輔助電路和B路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合使用可實(shí)現(xiàn)限制B路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所包含的功率開關(guān)兩端電壓。所述的A路輔助電路包括功率開關(guān)TsjPTs2、續(xù)流電感Ls、隔直電容Cs、高頻變壓器Trs(初級(jí)與次級(jí)的變比為1:2η)、單相整流橋RECs。功率開關(guān)!^的集電極為輔助電路輸入端的正極，功率開關(guān)Ts 2的發(fā)射極為輔助電路輸入端的負(fù)極；功率開關(guān)Ts:的發(fā)射極與功率開關(guān)Ts 2的集電極相連；隔直電容Cs —端與功率開關(guān)1^2的發(fā)射極相連，隔直電容Cs另一端與高頻變壓器Trs初級(jí)側(cè)一端相連；高頻變壓器Trs初級(jí)側(cè)另一端與續(xù)流電感Ls的一端相連；續(xù)流電感Ls的另一端與功率開關(guān)Ts2的集電極相連；高頻變壓器Trs次級(jí)側(cè)與單相整流橋RECs的交流輸入端并聯(lián)；單相整流橋RECs的直流輸出端的正極為輔助電路輸出端的正極，單相整流橋RECs的直流輸出端的負(fù)極為輔助電路輸出端的負(fù)極。所述的B路輔助電路與A路輔助電路的電路結(jié)構(gòu)相同。
[0011]所述的功率開關(guān)優(yōu)選為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
[0012]所述需要的二極管鉗位功率開關(guān)串聯(lián)均壓單元的數(shù)量根據(jù)使用工況的電壓等級(jí)和功率等級(jí)而定。
[0013]為實(shí)現(xiàn)直流變壓器直流電壓的雙向變壓，本發(fā)明