CN103986330B - 一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法，所述变换器连接直流输入电源和负载，包括两个原边二极管，第一至第四开关管，谐振单元，第一至第二整流二极管，两个滤波电容，其特征在于谐振单元连接四个开关管构成的桥臂与两个整流二极管和两个滤波电容构成的整流单元。本发明可实现开关管近似零电压关断以及整流二极管的零电流关断，可大幅降低损耗，同时所有开关器件的电压应力均不大于输出电压的二分之一。本发明的谐振电路可用于大功率升压场合。

Description

一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控 制方法

技术领域

本发明涉及直流变换器领域，可应用于大功率升压场合。

背景技术

风力发电是当今世界发展最快的新能源利用形式之一，海上风力发电因具有不占用陆上土地、风能资源丰富等特点而受到世界沿海各国的普遍重视。随着海上风电场容量的不断增加以及离岸距离的增大，采用高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电已成为必然趋势。HVDC输电具有不受容性电流影响、可调节有功和无功功率输出等优点，但传统的基于中压交流母线的海上风电场系统，需要采用体积巨大、笨重的工频升压变压器，对风机塔架以及海上换流站平台的建设提出了很高要求。针对上述缺点，近年来国内外兴起了对基于中压直流母线海上风电场系统的研究，通过利用高压大功率升压直流变换器替代传统的工频升压变压器，可大大减小系统体积和重量。高压大功率升压直流变换器是该系统中的关键核心部件，风机产生的电能都需要通过它进行电压变换和功率传输损耗是大功率传输。

目前国内外学者均对该系统中的高压大功率升压直流变换器开展了一些研究，先后提出了多种可行的拓扑电路。模块组合多电平直流变换器非常适合应用于高压大功率场合，这种变换器通过中频变压器将两个模块组合多电平变换器连接起来，其主要缺点是大功率高电压中频变压器的制造极其困难。文献“Multiple module high gain highvoltage DC-DC transformers for offshore wind energy systems”提出了一种由一个Boost变换器和一个Buck/Boost变换器输入并联输出串联的结构，开关器件和二极管的电压和电流应力相对减小。但由于开关器件的硬开关和二极管的反向恢复损耗导致了变换器效率较低。文献“Analysis and comparison of medium voltage high power DC/DCconverters for offshore wind energy systems”提出了一种基于谐振开关电容的直流升压变换器，可以实现开关管的软开关和模块化结构，但是其不仅输出电压调整率较差而且需要大量电容器。英国阿伯丁大学的Jovcic教授在文献“Step-up dc-dc converter formegawatt size applications”中提出了一种新型的谐振升压变换器，不但可以实现开关器件的软开关和避免二极管的反向恢复问题，还可实现很高的升压比。但该类谐振升压变换器也存在如下一些不足：开关器件都需要具有反向电压阻断能力；谐振电容、谐振电感和所有开关器件的电压应力都近似为输出电压；谐振电感单向磁化，磁芯利用率不高，导致谐振电感体积和重量都较大，损耗也相应增加。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法，既实现输出升压又实现了开关管的近似零电压关断和整流二极管的零电流关断，同时使得谐振单元和开关器件的电压应力不超过输出电压的二分之一。

技术方案：一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器，包括全桥逆变电路、谐振单元以及整流单元；所述全桥逆变电路的输入端连接直流输入电源，全桥逆变电路的输出端连接所述整流单元的输入端，所述整流单元的输出端连接负载，所述谐振单元与全桥逆变电路的输出端以及整流单元的输入端并联连接。

作为本发明的优选方案，所述全桥逆变电路包括一至第四开关管、第一原边二极管以及第二原边二极管；所述原边第一二极管、第一开关管、第三开关管依次串联构成第一支路，所述原边第二二极管、第二开关管、第四开关管的依次串联构成第二支路，所述第一支路以及第二支路并联在直流输入电源两端；

所述整流单元包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一滤波电容以及第二滤波电容；所述第一整流二极管和第二整流二极管正向串联连接构成第三支路，所述第一滤波电容和第二滤波电容串联连接构成第四支路，所述第三支路和第四支路并联在负载两端；

所述谐振单元为由电感和电容构成的LC并联谐振电路；所述LC并联谐振电路的一端连在所述第一开关管和第三开关管的相接端，同时连在第一滤波电容和第二滤波电容的相接端；所述LC并联谐振电路的另一端连在所述第二开关管和第四开关管的相接端，同时连在所述第一整流二极管和第二整流二极管的相接端。

一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器的控制方法：所述控制方法的一个控制周期分为连续的八个阶段，其中：

第一阶段：t₀＜t＜t₁

在t₀时刻，第一开关管和第四开关管导通，v_Cr＝V_in，其中v_Cr为谐振单元中的电容的电压，V_in为直流输入电源的电压；输入端电流回路由直流输入电源、原边第一二极管、第一开关管、电感以及第四开关管构成，电感上的电压等于输入电压V_in，t₀～t₁时刻内电感的电流呈线性增加，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，第一滤波电容和第二滤波电容提供负载输出电流；

第二阶段：t₁＜t＜t₂

在t₁时刻，第一开关管和第四开关管同时关断，电感和电容发生并联谐振，直到t₂时刻v_Cr＝-V_o/2，其中V_o为变换器输出电压；第一滤波电容和第二滤波电容提供负载输出电流；

第三阶段：t₂＜t＜t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o/2，第一整流二极管导通，电感中的电流流过第一整流二极管给第一滤波电容充电，并提供负载电流；在t₂～t₃内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少为零；

第四阶段：t₃＜t＜t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝V_o/2，其中i_Lr表示谐振电感的电流，I₃表示谐振电感在t₃时刻的电流，第一整流二极管关断，电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in；

第五阶段：t₄＜t＜t₅

在t₄时刻，第二开关管和第三开关管导通，v_Cr＝-V_in，输入端电流回路由直流输入电源、原边第二二极管、第二开关管、电感以及第三开关管构成，电感上的电压等于负输入电压-V_in，t₄～t₅时刻内电感的电流呈线性反向增加，电感电流从-I₄开始反向线性增加到-I₅，第一滤波电容和第二滤波电容提供负载输出电流

第六阶段：t₅＜t＜t₆

在t₅时刻，第二开关管和第三开关管同时关断，电感与电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o/2，第一滤波电容和第二滤波电容提供负载输出电流；

第七阶段：t₆＜t＜t₇

在t₆时刻，v_Cr＝V_o/2，第二整流二极管导通，电感中的电流流过第二整流二极管，给第二滤波电容充电，并提供负载电流；在t₆～t₇内，v_Cr保持不变，电感上电流线性减少为零；

第八阶段：t₇＜t＜t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o/2，I₇为谐振电感在t₇时刻的电流，第二整流二极管关断，电感和电容发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in。

有益效果：本发明的适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器及其控制方法中，变换器具有很高的电压增益，可实现开关管的零电压开通和近似零电压关断以及整流二极管的零电流关断，同时开关频率变化范围小，谐振电感对称双向磁化；谐振变换器的谐振单元和开关器件的电压应力不超过输出电压的二分之一；在实现升压功能的同时，使每个开关管和二极管都实现了软开关，有效减小了损耗，具有很高的效率，适合于大功率传输。

附图说明

图1为所举实例的LC谐振变换器拓扑结构图；

图2为图1所示电路相关元件工作波形示意图；

图3为图1所示电路第一阶段工作模态示意图；

图4为图1所示电路第二阶段，第四阶段，第六阶段，第八阶段工作模态示意图；

图5为图1所示电路第三阶段工作模态示意图；

图6为图1所示电路第五阶段工作模态示意图；

图7为图1所示电路第七阶段工作模态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

图1为本发明的一个实例电路拓扑结构图。本发明的一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器，包括全桥逆变电路、谐振单元以及整流单元。全桥逆变电路的输入端连接直流输入电源V_in，全桥逆变电路的输出端连接整流单元的输入端，整流单元的输出端连接负载R，谐振单元与全桥逆变电路的输出端以及整流单元的输入端并联连接。其中，全桥逆变电路包括第一至第四开关管Q₁～Q₄、第一原边二极管Di₁以及第二原边二极管Di₂。原边第一二极管Di₁、第一开关管Q₁、第三开关管Q₃依次串联构成第一支路；原边第二二极管Di₂、第二开关管Q₂、第四开关管Q₄的依次串联构成第二支路；第一支路以及第二支路并联在直流输入电源两端。整流单元包括第一整流二极管D_R1、第二整流二极管D_R2、第一滤波电容C₁以及第二滤波电容C₂。第一整流二极管D_R1和第二整流二极管D_R2正向串联连接构成第三支路；第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂串联连接构成第四支路；第三支路和第四支路并联在负载两端。谐振单元为由电感L_r和电容C_r构成的LC并联谐振电路。LC并联谐振电路的一端连在第一开关管Q₁和第三开关管Q₃的相接端，同时连在第一滤波电C₁和第二滤波电容C₂的相接端；LC并联谐振电路的另一端连在第二开关管Q₂和第四开关管Q₄的相接端，同时连在第一整流二极管D_R1和第二整流二极管D_R2的相接端。同时，第一原边二极管D_i1的阳极接在直流输入电源的正极，阴极接在第一开关管Q₁；第二原边二极管D_i2的阳极接在直流输入电源的正极，阴极接在第二开关管Q₂；直流输入电源负极接在所述第三开关管Q₃和第四开关管Q₄相接端。第一滤波电容C₁第一端接在第一整流二极管D_R1的阴极，第一滤波电容C₁第二端接在谐振单元的一端；第二滤波电容C₂第一端接在第二整流二极管D_R2的阳极，第二滤波电容C₂第二端接在谐振单元的一端。

下面对本发明的适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器控制方法进行详细说明。

如图2、图3所示，第一阶段：t₀＜t＜t₁

在t₀时刻，第一开关管Q₁和第四开关管Q₄导通，v_Cr＝V_in，其中v_Cr为谐振单元中的电容的电压，V_in为直流输入电源的电压；输入端电流回路由直流输入电源、原边第一二极管Di₁、第一开关管Q₁、电感L_r以及第四开关管Q₄构成，电感L_r上的电压等于输入电压V_in，t₀～t₁时刻内电感L_r的电流i_Lr呈线性增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂提供负载R_L输出电流；

如图2、图4所示，第二阶段：t₁＜t＜t₂

在t₁时刻，第一开关管Q₁和第四开关管Q₄同时关断，电感L_r和电容C_r发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_o/2，V_o/2是谐振电容C_r上的最大电压降，同时第四开关管Q₄达到了其最大电压降V_o/2，第一开关管Q₁达到了其最大电压降V_in，原边第二二极管D_i2达到了其最大电压降V_o/2-V_in，其中V_o为变换器输出电压；第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂提供负载R_L输出电流；在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

如图2、图5所示，第三阶段：t₂＜t＜t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o/2，第一整流二极管D_R1导通，电感L_r中的电流流过第一整流二极管D_R1给第一滤波电容C₁充电，并提供负载R_L电流；在t₂～t₃内，v_Cr保持不变，电感L_r上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载R_L，这个过程直到电感电流为零结束；

如图2、图4所示，第四阶段：t₃＜t＜t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝-V_o/2，其中i_Lr表示谐振电感L_r的电流，I₃表示谐振电感在t₃时刻的电流，第一整流二极管D_R1关断，实现了整流二极管的零电流关断，此后电感L_r和电容C_r发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变；

如图2、图6所示，第五阶段：t₄＜t＜t₅

在t₄时刻，第二开关管Q₂和第三开关管Q₃导通，v_Cr＝-V_in，输入端电流回路由直流输入电源、原边第二二极管Di₂、第二开关管Q₂、电感L_r以及第三开关管Q₃构成，电感L_r上的电压等于负输入电压-V_in，t₄～t₅时刻内电感L_r的电流i_Lr呈线性反向增加，这个阶段是输入给电感补充能量的过程，电感电流从-I₄开始反向线性增加到-I₅，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂提供负载R_L输出电流；

如图2、图4所示，第六阶段：t₅＜t＜t₆

在t₅时刻，第二开关管Q₂和第三开关管Q₃同时关断，此时电感L_r与电容C_r发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o/2，此时第三开关管Q₃达到了其最大电压降V_o/2，第二开关管Q₂达到了其最大电压降V_in，原边第一二极管D_i1达到了其最大电压降V_o/2-V_in，第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂提供负载R_L输出电流；在这个过程中输入端和输出端没有能量传输，输出电流依然由滤波电容提供，能量在电感和电容之间进行传递，但电感和电容上的总能量不变；

第七阶段：t₆＜t＜t₇

如图2、图7所示，在t₆时刻，v_Cr＝V_o/2，第二整流二极管D_R2导通，电感L_r中的电流流过第二整流二极管D_R2，给第二滤波电容C₂充电，并提供负载R_L电流；在t₆～t₇内，v_Cr保持不变，电感L_r上电流线性减少，输入的能量在这段时间里传给负载，这个过程直到电感电流为零结束；

如图2、图4所示，第八阶段：t₇＜t＜t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o/2，I₇为谐振电感在t₇时刻的电流，此后第二整流二极管D_R2关断，实现了整流二极管D_R2的零电流关断，此后电感L_r和电容C_r发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in，这段时间内，电感和电容上的总能量不变。

本发明的适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器控制方法，能实现升压功能，且每个开关管和二极管都实现了软开关，有效减小了损耗，具有很高的效率，适合大功率传输。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器，其特征在于：包括全桥逆变电路、谐振单元以及整流单元；所述全桥逆变电路的输入端连接直流输入电源，全桥逆变电路的输出端连接所述整流单元的输入端，所述整流单元的输出端连接负载，所述谐振单元与全桥逆变电路的输出端以及整流单元的输入端并联连接；

其中，所述全桥逆变电路包括第一至第四开关管(Q₁～Q₄)、原边第一二极管(Di₁)以及原边第二二极管(Di₂)；所述原边第一二极管(Di₁)、第一开关管(Q₁)、第三开关管(Q₃)依次串联构成第一支路，所述原边第二二极管(Di₂)、第二开关管(Q₂)、第四开关管(Q₄)的依次串联构成第二支路，所述第一支路以及第二支路并联在直流输入电源两端；

所述整流单元包括第一整流二极管(D_R1)、第二整流二极管(D_R2)、第一滤波电容(C₁)以及第二滤波电容(C₂)；所述第一整流二极管(D_R1)和第二整流二极管(D_R2)正向串联连接构成第三支路，所述第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)串联连接构成第四支路，所述第三支路和第四支路并联在负载两端；

所述谐振单元为由电感(L_r)和电容(C_r)构成的LC并联谐振电路；所述LC并联谐振电路的一端连在所述第一开关管(Q₁)和第三开关管(Q₃)的相接端，同时连在第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)的相接端；所述LC并联谐振电路的另一端连在所述第二开关管(Q₂)和第四开关管(Q₄)的相接端，同时连在所述第一整流二极管(D_R1)和第二整流二极管(D_R2)的相接端。

2.权利要求1所述一种适用于高压大功率场合的谐振升压直/直变换器的控制方法，其特征在于：所述控制方法的一个控制周期分为连续的八个阶段，其中：

第一阶段：t₀<t<t₁

在t₀时刻，第一开关管(Q₁)和第四开关管(Q₄)导通，v_Cr＝V_in，其中v_Cr为谐振单元中的电容的电压，V_in为直流输入电源的电压；输入端电流回路由直流输入电源、原边第一二极管(Di₁)、第一开关管(Q₁)、电感(L_r)以及第四开关管(Q₄)构成，电感(L_r)上的电压等于输入电压V_in，t₀～t₁时刻内电感(L_r)的电流(i_Lr)呈线性增加，电感电流从I₀开始线性增加到I₁，第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)提供负载(R_L)输出电流；

第二阶段：t₁<t<t₂

在t₁时刻，第一开关管(Q₁)和第四开关管(Q₄)同时关断，电感(L_r)和电容(C_r)发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_o/2，其中V_o为变换器输出电压；第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)提供负载(R_L)输出电流；

第三阶段：t₂<t<t₃

在t₂时刻，v_Cr＝-V_o/2，第一整流二极管(D_R1)导通，电感(L_r)中的电流流过第一整流二极管(D_R1)给第一滤波电容(C₁)充电，并提供负载(R_L)电流；在t₂～t₃内，v_Cr保持不变，电感(L_r)上电流线性减少为零；

第四阶段：t₃<t<t₄

在t₃时刻，i_Lr＝I₃＝0，v_Cr＝-V_o/2，其中i_Lr表示谐振电感(L_r)的电流，I₃表示谐振电感在t₃时刻的电流，第一整流二极管(D_R1)关断，电感(L_r)和电容(C_r)发生并联谐振，直到v_Cr＝-V_in；

第五阶段：t₄<t<t₅

在t₄时刻，第二开关管(Q₂)和第三开关管(Q₃)导通，v_Cr＝-V_in，输入端电流回路由直流输入电源、原边第二二极管(Di₂)、第二开关管(Q₂)、电感(L_r)以及第三开关管(Q₃)构成，电感(L_r)上的电压等于负输入电压-V_in，t₄～t₅时刻内电感(L_r)的电流(i_Lr)呈线性反向增加，电感电流从-I₄开始反向线性增加到-I₅，第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)提供负载(R_L)输出电流；

第六阶段：t₅<t<t₆

在t₅时刻，第二开关管(Q₂)和第三开关管(Q₃)同时关断，电感(L_r)与电容(C_r)发生并联谐振，直到v_Cr＝V_o/2，第一滤波电容(C₁)和第二滤波电容(C₂)提供负载(R_L)输出电流；

第七阶段：t₆<t<t₇

在t₆时刻，v_Cr＝V_o/2，第二整流二极管(D_R2)导通，电感(L_r)中的电流流过第二整流二极管(D_R2)，给第二滤波电容(C₂)充电，并提供负载(R_L)电流；在t₆～t₇内，v_Cr保持不变，电感(L_r)上电流线性减少为零；

第八阶段：t₇<t<t₈

在t₇时刻，i_Lr＝I₇＝0，v_Cr＝V_o/2，I₇为谐振电感在t₇时刻的电流，第二整流二极管(D_R2)关断，电感(L_r)和电容(C_r)发生并联谐振，直到v_Cr＝V_in。