[发明专利]一种大功率高变比谐振式直流电源及其工作方法

权利要求书

1.一种大功率高变比谐振式直流电源，包括中频变压器、与中频变压器原边绕组相连的原边电路、与中频变压器副边绕组相连的副边整流电路；其特征在于：

所述的原边电路包括中压直流母线、直流母线电容、单相MMC电路和谐振电容；其中直流母线电容直接并联到中压直流母线，直流母线电容由容值相等的上母线电容、下母线电容C_in串联构成，上母线电容、下母线电容的连接点作为中性点O；所述单相MMC电路直接并联到直流母线电容，在结构上包含上桥臂、下桥臂，两个桥臂均由N个半桥子模块和一个桥臂电感L_r串联组成，两个桥臂电感L_r的连接点作为单相MMC电路的输出点；谐振电容C_r两端分别连接到单相MMC电路的输出和中频变压器的原边绕组；所述的直流母线电容C_in中性点O与中频变压器原边绕组相连构成回路；

所述的副边整流电路包含全桥不控整流电路、输出电容C_o，全桥不控整流电路由四个二极管D₁-D₄构成直接并联到中频变压器副边绕组，并且输出端并输出电容C_o，获得稳定的直流电压；

所述的每个桥臂中半桥子模块数量N的确定方法为：

其中n为备份子模块数量，V_inMAX为直流母线电压的最大值，V_c为半桥子模块电容电压，为子模块功率开关管耐压值的三分之二，[*]表示对*取整；

所述的单相MMC电路的输出频率恒定为f_r的中频阶梯式方波，阶梯式方波的上升波形和下降波形均包含N-n个阶梯。

2.根据权利要求1所述的大功率高变比谐振式直流电源，其特征在于：所述的中频变压器的原边绕组由利兹线绕制，中频变压器的副边绕组由利兹线或铜带绕制，铁芯材料选择纳米晶或铁基非晶材料。

3.根据权利要求1所述的大功率高变比谐振式直流电源，其特征在于：所述的半桥子模块的每个半桥子由模块电容和两个功率开关管组成，两个功率开关管串联构成半桥结构后与模块电容并联，两个功率开关管中的下管两端作为半桥子模块的输出。

4.根据权利要求3所述的大功率高变比谐振式直流电源，其特征在于所述的功率开关管指功率MOSFET或IGBT。

5.一种根据权利要求1所述的大功率高变比谐振式直流电源的工作方法，其特征在于，所述的工作方法为：所述的单相MMC电路与直流母线电容构成逆变电路，将中压直流母线逆变为频率恒定为f_r的中频阶梯式方波，输出到后级的谐振电路，谐振电路由单相MMC电路桥臂电感L_r、谐振电容C_r和中频变压器的励磁电感L_m构成，阶梯式方波频率f_r为电路桥臂电感L_r、谐振电容C_r的串联谐振频率：

在一个周期中，首先单相MMC电路下桥臂半桥子模块全部投入，上桥臂半桥子模块全部切除，下桥臂电压为V_DC，上桥臂电压为0，中频变压器原边的电压为V_DC，电流正向流入全桥不控整流电路，励磁电感L_m上电压被输出电压钳位在nV_o，L_m恒压充电，电流线性上升，当流过谐振电路的谐振电流i_Lr上升到与励磁电流i_Lm相等时，全桥不控整流电路输出电流变为0，二极管承受输出电压V_o，反偏截止，实现零电流软关断，输出被中频变压器隔离，励磁电感L_m开始参与Cr和L_r的谐振，谐振电流在谐振电路内循环流动，输出电容C_o独立为负载供电，

随后MMC上桥臂子模块全部投入，下桥臂子模块全部切除，上桥臂电压为V_DC，下桥臂电压为0，变压器原边的电压为-V_DC，电流反向流入全桥不控整流电路，中频变压器原边电压被输出电压钳位在-nV_o，励磁电感被反向恒压充电，电流线性下降，当流过谐振电路的谐振电流i_Lr下降到与励磁电流i_Lm相等，全桥不控整流电路输出电流变为0，二极管承受输出电压V_o，反偏截止，实现零电流软关断，输出被中频变压器隔离，L_m开始和C_r，L_r参与谐振，谐振电流在谐振电路内循环流动，输出电容C_o继续为负载供电，一个电路周期结束。