[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

说明书

本发明公开了一种大功率高变比谐振式直流电源及其工作方法，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全桥不控整流电路；原边电路将单相MMC拓扑与谐振式变换器相结合，将中压直流转换成中压中频交流。通过模块化多电平的方式，既减小了器件的电压和电流应力，增大了器件的选择范围，又实现了系统的高频化，提升了功率密度；同时这一拓扑与LLC谐振网络相结合，引入了软开关技术，增大了系统的工作范围，提升了系统的工作效率。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种大功率高变比谐振式直流电源及其工作方法。

背景技术

近年来，能源需求量伴随着经济的增长与日俱增，同时环境问题又成为了人力生存和发展要面对的第一大挑战。因此从依赖化石能源到清洁型新能源占主导的能源结构转换势在必行，这也进一步加快了可再生能源的开发和利用。随着以风电、光伏为代表的新能源的开发，大规模的新能源并网与传输对传统电网提出了极大的挑战。在此情况下，直流配电网具有更高的灵活性、可靠性和经济性，并且具有独立的功率调节能力，成为了间歇性的可再生能源并网的高效解决方案。尤其是中压等级的直流系统已经在全球范围内受到了广泛的关注。

基于这样的行业背景下，应用于5-20kV中压等级0.4-20kHz中频等级的直流电源也就成为了行业中的迫切需求，然而目前以IGBT和功率MOSFET为代表的功率半导体器件，受限于材料的物理特性和器件的制造工艺等因素，耐压等级和功率等级都无法直接满足中压直流电源的需要。因此必须通过有效的电路结构实现中压直流到低压直流的高效变换。目前主要采用的是分布式的DAB方案，既通过模块的输入侧串联实现耐压等级达到中压直流，并且输出侧并联实现更高的输出功率等级，而每个模块内都采用中频或者高频变压器实现隔离。但是这样的解决方案，仍然存在着很多的不足之处。首先为了保证系统的可靠性，需要保证系统的冗余备份，而这一方案下系统的模块成本较高，因此加大了备份的难度。其次每个模块内都包含体积和重量较大的磁性元件，同时为了要保证系统较高的绝缘等级也就需要较大的模块间距，这一点上极大地限制了系统功率密度的提升。同时在控制方面：模块输入端的均压问题，输出侧的均流问题以及控制上的响应速度问题，都极大地限制了这一方案的进一步优化和发展。

综上所述，基于子模块串联的MMC拓扑作为集中式方案，成为了中压直流电源的优选方案之一。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种大功率高变比谐振式直流电源，将模块化多电平拓扑与谐振式变换器相结合，在实现系统高频化高功率密度的同时，减小了器件的电压和电流应力，并且保证了系统的高效性与高可靠性。

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；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；所述单线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。

优选的，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。