[发明专利]直流电压变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种单向直流电压转换器的拓扑。本发明还涉及两种该转换器的控制方法。

背景技术

一方面，在中高压直流线路中，为了实现电压变换，一般采用先将电压由直流变为交流，之后通过交流变压器变压，最后再变回直流的方式。而以上做法既导致输电效率低，又需要大量功率器件。另一方面，在相同电压等级和损耗要求下，三相交流输电线路必须使用比直流输电线路更多的材料。

德国学者R.Marguardt将半桥全控功率器件结构和电容并联组成基本模块，将该基本模块串联起来，应用于直流到交流或交流到直流的变换器，这种变换器被称为模块化多电平变换器(MMC)。由于电容上的电压限制，使模块中的全控功率器件不需承受过高的电压，就能实现高电压等级的直流到交流的变换。

上述的基本模块中含有一种由两个全控功率器件和反并联二极管同向串联构成的基本单元，也就是所谓的半桥。半桥有三个电压引出点，可以被称为负点n、中点o及正点p。在正点p和负点n之间并联接入一个电容。则通过对半桥中全控功率器件的互补控制，实现中点o对负点n电压值为电容电压或为零。

发明内容

对于高压直流变换器，不能使用传统的buck、boost等直接的直流变换拓扑的原因，主要是受全控功率器件耐压的限制。本发明利用前述的半桥结构并联电容的基本模块，将其应用于直流变换，以实现使用低耐压等级的全控功率器件，在直流中高压环境中直接进行电压变换。

将两个全控功率器件串联再并联电容的结构单元，称为中间能量模块。将n个中间能量模块串联起来，既可以承受直流高压，也可以实现对某个直流变换单元的控制。所采用的控制方案是：将过程分为能量流入和流出中间能量模块两个阶段，第一阶段，控制输入端的能量先流入n个中间能量模块；第二阶段，控制n个中间能量模块的能量流入输出端。使用高耐压的半控功率器件，如晶闸管等，来实现输入端、n个中间能量模块和输出端之间的导通和隔离。

将上述的直流变换单元并联起来，可实现一个周期中，各个时段都有某个直流变换单元的电流流入高频变压器，这样既可提高流入高频变压器的电流的频率，也可减少相同功率下流入副边的电流最大值。直流变换单元分为数量相等的两组，与变压器原边端口的连接相反，从而实现高频变压器的磁通复位。

由上述原理，可以通过对中间能量模块中可关断功率半导体导通或关断的控制，控制中间能量模块输出端电压，从而实现流入流出电抗器的电流数值的控制，也就是实现了不同功率的能量传送；实现中间能量模块上电容电压的数值控制；实现对输出电容及并联的输出端上电压数值的控制。这种控制是由采样电路、数字芯片和脉冲发生电路实现的。

通过本发明所述的装置，因其所用器件少，所以具有媲美交流变压器的经济性；因其输入端和输出端均为电容，所以具有媲美交流变压器的稳定性和耐冲击性能；因其结构简单，所以具有媲美交流变压器的体积；因为中间能量模块的结构相同，便于封装且有良好的冗余能力；因为中间能量模块的可控性，可以实现不同输入输出电压值的调节；因为中间能量模块的数量，可以实现低电流纹波下的精确控制；因为采用直流变换单元的并联，可以有效减小副边电流的波动和最大值。

附图说明

图1以示意图示出了本发明装置的组成结构

图2示出了本发明装置中直流变换单元的拓扑结构

图3示出了本发明装置的中间能量模块的一种实施例

图4示出了本发明装置的中间能量模块的一种衍生实施例

图5示出了本发明装置中高频变压器的一种结构

图6示出了本发明装置中高频变压器的一种结构

图7示出了本发明装置包含两个并联的直流变换单元，每个单元采用三个中间能量模块且省略电抗L₁和L₃时，采用一种控制方式，中间能量模块上管控制电压及中间支路上电抗L₁₂，L₂₂上的电流

图8示出了本发明装置包含两个并联的直流变换单元，每个单元采用三个中间能量模块且省略电抗L₁和L₃时，采用一种控制方式，中间能量模块上管控制电压及中间支路上电抗L₁₂，L₂₂上的电流

具体实施方式

如图1所示，本发明设计的装置由原边及可选的滤波电路，数个并联的直流变换单元，可选的变压器和副边及其滤波电路组成。