全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法

摘要

本发明公开一种全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法。其电路包括输入滤波电感，n个前级软开关电路与n个后级隔离型DC‑DC变换器，每个前级软开关电路的输出端与后级隔离型DC‑DC变换器的输入端连接组成一个子模块电路，n个子模块电路通过输入串联、输出并联的方式组合后，输入端经输入滤波电感接入中压交流或直流电网，输出端接低压直流电网或负载；其调制方法为，前级软开关电路根据输入电网电压的交直流特性进行基于SPWM的软开关调制或基于PWM的软开关调制，后级隔离型DC‑DC变换器采用PWM调制，调制时，n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，n个后级隔离型DC‑DC变换器的载波之间也具有一定相移。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术的技术领域，涉及固态变压器与软开关技术，尤其涉及一种全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，固态变压器受到了广泛的关注，固态变压器除了具备传统变压器隔离和升、降电压功能外，同时集成了电网无功调节、功率控制、谐波抑制以及故障保护等功能；此外，固态变压器能够大幅度减小变压器的体积和重量，提升功率密度；不仅如此，采用模块化的结构可以大幅提升固态变压器耐压等级与功率容量，简化电路设计流程。

但是目前，关于交直流电网输入通用的固态变压器研究较少，且大部分的两级式固态变压器，其前级均工作在硬开关的条件下，这不利用固态变压器效率与功率密度的提升，因此有必要提出一种能够实现全软开关的交直流输入通用的固态变压器。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种减小前级电路开关损耗、实现全软开关的，交直流输入通用的固态变压器电路及其调制方法。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明的一个方面，提出一种全软开关交直流输入固态变压器电路，包括输入滤波电感、n个相同的前级软开关电路和n个相同的后级隔离型DC-DC变换器。

n个前级软开关电路的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与输入滤波电感串联后接入中压交流或直流电网；n个后级隔离型DC-DC变换器的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个前级软开关电路的直流输出端分别与一个后级隔离型DC-DC变换器的直流输入端相连，共同构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。

上述技术方案中，进一步地，前级软开关电路包括第一全桥电路、第一辅助电路与第一输出电容；后级隔离型DC-DC变换器包括第二全桥电路、第一LC谐振电路、第一变压器、第三全桥电路与第二输出电容；第一全桥电路、第二全桥电路与第三全桥电路均包括两组桥臂，第一全桥电路的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管组成，第二全桥电路与第三全桥电路各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成；每个全桥电路的两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；第一全桥电路的两个桥臂中点构成前级软开关电路的交直流输入端；在第一全桥电路的上开关管漏极与第一输出电容正极间接入第一辅助电路，第一全桥电路的下开关管源极与第一输出电容负极相连；第一辅助电路由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管、箝位电容以及辅助电感构成；辅助开关管与箝位电容串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联辅助电感；第二全桥电路的上开关管漏极与下开关管源极构成后级隔离型DC-DC变换器的直流输入端；第一LC谐振电路由谐振电感与谐振电容串联而成；第二全桥电路的桥臂中点与第一LC谐振电路串联后连接第一变压器的原边；第三全桥电路的上开关管漏极与第二输出电容的正极相连，第三全桥电路的下开关管源极与第二输出电容的负极相连；第三全桥电路的桥臂中点与第一变压器的副边相连。

本发明的另一个方面，提出一种上述全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，每个子模块电路驱动信号由前级软开关电路的软开关驱动信号与后级隔离型DC-DC变换器的驱动信号组成；前级软开关电路根据输入电压的交直流特性采用SPWM调制对输入交流电压进行整流或采用PWM调制对输入直流电压进行幅值变换，调制时n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，之后在SPWM驱动或PWM驱动的基础上进行软开关调制，从而生成前级软开关电路的软开关驱动信号；后级隔离型DC-DC变换器采用PWM调制，调制时n个后级隔离型DC-DC变换器的载波之间具有一定相移，从而生成后级隔离型DC-DC变换器的驱动信号。

上述方法依赖于以下模块实现：交直流调制波选择模块，前级PWM产生模块，n个相同的软开关调制模块，前级载波产生模块，前级载波移相模块，后级载波产生模块，后级载波移相模块，后级PWM产生模块与后级调制波产生模块。

上述技术方案中，进一步地，交直流调制波选择模块根据输入电压v

本发明的有益效果如下：

采用本发明的全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法，可以将同一固态变压器电路通用于交流电网输入或直流电网输入的场合；可以实现固态变压器前级电路的零电压开通，减小开关管的开通损耗与反向恢复损耗，有利于提升固态变压器的效率与功率密度；可以利用模块化的设计思路提升固态变压器耐压等级与功率容量，简化设计流程。

附图说明

图1为全软开关交直流输入固态变压器整体电路示意图；

图2为全软开关交直流输入固态变压器中前级软开关电路电路图；

图3为全软开关交直流输入固态变压器中后级隔离型DC-DC变换器电路图；

图4为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图；

图5为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图中交直流调制波选择模块的具体实现框图；

图6为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图中软开关调制模块的具体实现框图；

图7为当子模块个数n等于3时的全软开关交直流输入固态变压器电路图；

图8为当子模块个数n等于3且输入电流i

图9为当子模块个数n等于3且输入电流i

图10为当输入电流i

图11～图24为当输入电流i

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，一种全软开关交直流输入固态变压器电路，包括输入滤波电感100、n个相同的前级软开关电路200和n个相同的后级隔离型DC-DC变换器300；n个前级软开关电路200的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与输入滤波电感100串联后接入中压交流或直流电网；n个后级隔离型DC-DC变换器300的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个前级软开关电路200的直流输出端分别与一个后级隔离型DC-DC变换器300的直流输入端相连，共同构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。

参照图2，前级软开关电路200包括第一全桥电路201、第一辅助电路202与第一输出电容203；第一全桥电路201的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管组成，两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；第一全桥电路201的两个桥臂中点构成前级软开关电路200的交直流输入端；在第一全桥电路201的上开关管漏极与第一输出电容203正极间接入第一辅助电路202，第一全桥电路201的下开关管源极与第一输出电容203负极相连；第一辅助电路202由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管208、箝位电容209以及辅助电感210构成；辅助开关管208与箝位电容209串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联辅助电感210。

参照图3，后级隔离型DC-DC变换器300包括第二全桥电路301、第一LC谐振电路302、第一变压器303、第三全桥电路304与第二输出电容305。第二全桥电路301与第三全桥电路304各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成，每个全桥电路的两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连。第二全桥电路301的上开关管漏极与下开关管源极构成后级隔离型DC-DC变换器300的直流输入端；第一LC谐振电路302由谐振电感310与谐振电容311串联而成；第二全桥电路301的桥臂中点与第一LC谐振电路302串联后连接第一变压器303的原边；第三全桥电路304的上开关管漏极与第二输出电容305的正极相连，第三全桥电路304的下开关管源极与第二输出电容305的负极相连；第三全桥电路304的桥臂中点与第一变压器303的副边相连。

参照图4，一种全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，包括交直流调制波选择模块400，前级PWM产生模块500，n个相同的软开关调制模块600，前级载波产生模块700，前级载波移相模块800，后级载波产生模块900，后级载波移相模块1000，后级PWM产生模块1100与后级调制波产生模块1200；交直流调制波选择模块400根据输入电压v

参照图5，交直流调制波选择模块400包括输入电压判断模块401，交流调制波产生模块402，直流调制波产生模块403与第一选择开关404；交流调制波产生模块402与直流调制波产生模块403分别产生交流调制波与直流调制波并输入第一选择开关404；输入电压判断模块401对输入电压的交直流特性进行判断并控制第一选择开关404选择合适的调制信号输出，也即当输入电压为交流时选择交流调制波，当输入电压为直流时选择直流调制波。

参照图6，软开关调制模块600包括第一比较器601、第一反相器602、输入电流极性判断模块603、第一延时模块604、第一与门605、第二延时模块606、第二与门607、第一或门608、第二选择开关609、第二或门610、第三或门611、第三延时模块612、第四延时模块613、第四或门614、第五或门615与第三选择开关616；固态变压器输入电流i

参照图7，当子模块个数n等于3时的全软开关交直流输入固态变压器电路图如图7所示，每个子模块电路结构相同，且子模块电路间采用输入串联、输出并联的方式进行组合。

当子模块个数n等于3时，图8与图9分别为输入电流i

不同子模块电路的工作过程基本相同，以子模块电路1为例，当输入电流i

假设在一个开关周期内，电容C

阶段1：t

如图11所示，前级电路S

阶段2：t

如图12所示，t

阶段3：t

如图13所示，t

阶段4：t

如图14所示，t

阶段5：t

如图15所示，t

阶段6：t

如图16所示，t

阶段7：t

如图17所示，t

阶段8：t

如图18所示，t

阶段9：t

如图19所示，t

阶段10：t

如图20所示，t

阶段11：t

如图21所示，t

阶段12：t

如图22所示，t

阶段13：t

如图23所示，t

阶段14：t

如图24所示，t

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。