一種多電平均壓諧振零電流軟開關dc-dc變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多電平直流變換技術領域，具體說是一種多電平均壓諧振零電流軟開關DC-DC變換器。用于實現直流電壓變換。
【背景技術】
[0002]如同交流變壓器在交流輸配電系統和一些交流電壓變換的應用場合不可或缺一樣，直流輸配電系統和一些直流電壓變換的應用場合也需要專門實現直流電壓等級變換的直流變換器。
[0003]在直流輸配電系統中，直流變換器主要用于直流輸配電網與負載或上級電網的接口，并實現直流輸配電網內部電壓等級的轉換。由于直流輸配電網的電壓等級較高，功率也較大，對于適合于直流輸配電網等中高壓大功率場合的直流變換器，高電壓大功率是其設計難點之一。目前，研究比較集中的解決方案主要有功率器件串聯承壓、多模塊串并聯組合變換器、傳統多電平直流變換器和模塊化多電平直流變換器(DC-MMC)等。
[0004]在功率器件串聯承壓方案中，功率器件之間的均壓技術是關鍵所在，在實際應用中，由于功率器件參數的離散性，所有串聯功率器件不能完全同步動作，串聯功率器件之間會產生靜態和動態不均勻的問題，將導致某個功率器件過電壓，從而影響直流變換器的工作效率和使用壽命。為解決好器件串聯的動作同步，器件的動、靜態均壓電路和驅動脈沖的一致性要求不僅大大降低了系統的可靠性和器件的電壓利用率，也增加了系統的損耗和復雜性。
[0005]在多模塊串并聯組合變換器方案中，通過將多個直流變換器模塊的輸入和輸出進行相互串聯或并聯來分擔負載功率，從而降低功率器件的電壓和電流應力。該技術現已較為成熟，但實際應用中應仍存在很多問題。如:為使串聯端口均壓，并聯端口均流，需采用復雜的均壓和均流控制策略；一般變換器由多個包含隔離變壓器的DC-DC子模塊進行串并聯組合而成，且控制電路和驅動電路較多，因此變換器的體積、重量都較大。
[0006]在傳統多電平直流變換器方案中，直流變換器從基本的二極管箝位型多電平、飛跨電容型多電平和通用型多電平得來。當二極管箝位型多電平應用在直流變換領域時，其冗余的開關狀態將會減少，以至于會出現因無足夠的冗余開關狀態來維持電容電壓平衡的狀況出現。而飛跨電容型多電平直流變換器和通用型多電平直流變換器，隨著電平數的增多，所需的電容和二極管的數量將急劇增多，并且隨著電平數增加，各個電容電壓也不容易平衡，使得它們在實際應用中受到很大的限制。
[0007]在模塊化多電平直流變換器(DC-MMC)方案中，目前常采用的是通過變壓器將兩個dc/ac模塊化多電平變換器(MMC)相互連接的背靠背結構，需使用變壓器，變換環節較多，因此相對來講體積大，成本高。對于沒有變壓器的模塊化多電平直流變換器(DC-MMC)變換器，有些拓撲電路的輸出電流僅是N個串聯MMC單元交換電流的1/N。且不管哪種模塊化多電平直流變換器(DC-MMC)，單級MMC中單元電容處于懸浮狀態，在實際運行過程中，由于單元的損耗不同，驅動信號不理想有延時等因素，使得單元電容電壓在不被專門控制的情況下出現不平衡問題。
【發明內容】
[0008]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種多電平均壓諧振零電流軟開關DC-DC變換器，結構模塊化，控制方式簡單，不需隔離變壓器，能實現電容電壓自平衡，并且所有開關和二極管為零電流軟開關，使低壓器件適應用于中高壓大功率直流電壓變換場合。
[0009]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是:
[0010]一種多電平均壓諧振零電流軟開關DC-DC變換器，其特征在于:所述變換器是由m(m為多2的整數，下同)個直流均壓電容串聯而成的直流均壓電容組和連接到所述直流均壓電容組中不同直流均壓電容之間的至少m-Ι個二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元構成，其中:
[0011]所述的直流均壓電容可由單個電容器構成或多個電容器串并聯構成；
[0012]所述的m個直流均壓電容串聯而成的直流均壓電容組由m個直流均壓電容(C；，Cnl,……,CyC1)自上而下依次串聯組成，且直流均壓電容組中各直流均壓電容(CwCni^"…，C2, C1)的電位自上而下依次降低；
[0013]所述直流均壓電容組中每個直流均壓電容((；，(:“，……,CyC1)的正負極兩端分別依次引出正接線端子和負接線端子(uml、um2，um n、um 12，......，u21、u22，un、u12);相鄰兩個直流均壓電容的共同連接端引出的上方直流均壓電容的負接線端子和下方直流均壓電容的正接線端子可以共用一個接線端子；
[0014]所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元，由兩個開關橋臂和連接在兩個開關橋臂中點的諧振電感(U與諧振電容((；)相串聯的諧振支路構成，其中第一開關橋臂(S1,S2)的上開關(S1)橋臂外端子引出第一端口(P1)的正接線端子(A1),第二開關橋臂(S3，S4)的上開關(S3)橋臂外端子引出第一端口(P1)的負接線端子(B1),第一開關橋臂(SpS2)的下開關(S2)橋臂外端子引出第二端口(P2)的正接線端子(A2),第二開關橋臂(S3，S4)的下開關(S4)橋臂外端子引出第二端口(P2)的負接線端子(B2);
[0015]所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元中所述的開關橋臂，可以是兩個橋臂的所有4個開關(S1, S2, S3, S4)都采用雙向可控開關或單向可控開關(如IGBT和MOSFET等)及其反并聯二極管的組合，構成能量可在兩個端口之間雙向傳輸功能的一類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-Ι);也可以把所述的第二開關橋臂的開關(S3，S4)換成二極管(這里二極管的方向與上述反并聯二極管的方向一致，即一個二極管的陰極接上開關
(S3)的橋臂外端子，另一個二極管的陽極接下開關(S4)的橋臂外端子)，構成能量從端口一(P1)傳輸到端口二(P2)功能的二類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-2);也可以把所述的第一開關橋臂的開關(S1, S2)換成二極管(這里二極管的方向與上述反并聯二極管的方向一致，即一個二極管的陰極接上開關(S1)的橋臂外端子，另一個二極管的陽極接下開關(S2)的橋臂外端子)，構成能量從端口二(P2)傳輸到端口一(P1)功能的三類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-3);
[0016]所述的開關橋臂中的開關可由單個開關器件或多個開關器件串并聯構成。
[0017]進一步，所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元的端口一(P1)的正接線端子(A1)和負接線端子(B1)分別連接到所述直流均壓電容組中的一個直流均壓電容的正、負接線端子上，端口二(P2)的正接線端子(A2)和負接線端子(B2)分別連接到所述直流均壓電容組中的另一個電位更低的直流均壓電容的正、負接線端子上，且這兩個直流均壓電容可以是相鄰的兩個直流均壓電容，也可以是中間相隔一個或多個直流均壓電容之后的兩個直流均壓電容；同時，所述的直流均壓電容組中的每一個直流均壓電容的正、負接線端子連接到至少一個所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元的一個端口的正負接線端子上。
[0018]進一步，所述變換器中所述直流均壓電容組的各直流均壓電容上的電壓全部能夠實現自平衡，且所述變換器可實現直流降壓變換、直流升壓變換和直流高低壓雙向變換三種功能，也可以實現多電平串聯電容均壓控制；當用串聯電池組替換所述直流均壓電容組后，所述的變換器還可用于串聯電池組中各電池均壓控制管理。
[0019]進一步，把不同電壓等級的直流電源或負載連接到所述的直流均壓電容組中相應的所述的正接線端子和所述的負接線端子上，可以實現多種不同輸入輸出電壓比的單路或多路直流電壓輸入和單路或多路直流電壓輸出變換；當用于單路輸入單路輸出變換時，接線端子的選擇要使得輸入和輸出電源或負載的中點電位盡量與所述直流均壓電容組的中點電位一致。
[0020]進一步，其控制策略是把所有所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元分為兩組，在半個開關工作周期內，第一組所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元接收所述直流均壓電容組中部分直流均壓電容的放電，第二組所述二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元向所述直流均壓電容組中的部分直流均壓電容充電；在另半個開關工作周期內，第一組所述二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元向所述直流均壓電容組中的部分直流均壓電容充電，第二組所述二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元接收所述直流均壓電容組中部分直流均壓電容的放電；并且在每半個開關工作周期內，所述的兩組二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元的充放電總能量相等或相差最小，從而最大程度地減小輸入直流電源和輸出直流電源(或負載)接線上的電流紋波。
[0021]進一步，所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元兩個端口連接的所述直流均壓電容組中的兩個直流均壓電容之間的能量如果是雙向傳輸，則采用所述的一類二端口DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-Ι);所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元兩個端口連接的所述直流均壓電容組中的兩個直流均壓電容之間的能量如果是上方高電位電容向下方低電位電容傳輸，則采用所述的二類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRScell-2)或一類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-Ι);所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元兩個端口連接的所述直流均壓電容組中的兩個直流均壓電容之間的能量如果是下方低電位電容向上方高電位電容傳輸，則采用所述的三類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRS cell-3)或采用一類二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元(DCRScell-Ι)ο
[0022]進一步，所述的直流均壓電容組的電容用電池替換后，可以實現電池組的均壓，從而增加電池組的壽命。
[0023]進一步，所述的直流均壓電容組用交流電容組替換以及所述的二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元中的開關用交流開關替換后，則所述的變換器可以實現交流電源多電平均壓雙向變換(如實現IlOVac與220Vac的雙向變換)。
[0024]進一步，連接在所述直流均壓電容組中所有所述二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元工作時相互獨立，互不影響，完全解耦，且每一個所述二端口 DC-DC諧振軟開關變換單元中所有開關(包括可控開關和二極管)都能實現零電流開通和零電流關斷。
[0025]本發明所述的多電平均壓諧振零電流軟開關DC-DC變換器，結構模塊化，控制方式