多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC拓扑结构的制作方法与工艺

本发明涉及一种多线圈单相变压器的双向高压DC/DC拓扑结构，尤其涉及的是一种中频方波变压器的高压DC/DC拓扑结构。

背景技术：
高压直流输电和分布式电能利用技术的发展，多端直流电网是未来分布式输配电网的关键技术。不同等级直流电网不存在两个交流电网互联必须满足电压的相位、频率和幅值匹配条件，它是通过中频变压器隔离，采用DC/AC/中频变压器/AC/DC的拓扑结构，实现直流电网的互联，故障容错性好。正弦波中频变压器需要采用多电平移相控制技术，多电平控制电路拓扑结构通常采用中性点二级管钳位或飞跨电容均压，以及H桥级联方式，这些拓扑结构和控制方法都十分复杂，而且不同功率开关管的通断电流大小和时间长短都不均衡，造成功率开关管和续流二极管的损耗发热不一样，容易造成有些器件热老化严重，影响系统可靠性。传统多电平拓扑由于功率开关管串联后再控制变压器绕组，用于中频方波变压器驱动则不仅要求功率开关管同步触发一致性好，而且短时同步触发导通后，变压器承受全部直流电源电压，电压时间变化率du/dt很高，引起不可忽略的变压器分布电容充电电流和绕组电位分布不均匀的波过程等问题。中国专利公开号为：103178742A(申请号为201310088405.0)，发明名称为：一种组合式双向DC/AC变流器拓扑结构，该发明专利的拓扑由相同的三相电路组成，每一相由隔离半桥DC/DC变流器和级联式H桥DC/AC变流器组合而成，隔离半桥DC/DC变流器的输出并联第一电容器(C1)后作为级联式DC/AC变流器单级H桥的输入，每一级H桥均与独立的隔离半桥DC/DC变流器相连。该专利采用多个隔离变压器，每个变压器输入侧和输出侧各相是独立半桥控制单元，只是输出侧各相经过半桥控制单元形成的直流电压又经过H桥控制单元逆变成交流输出，而且将这些H桥控制单元的输出串联形成多电平交流输出。由于每个隔离变压器前后采用半桥DC/DC变流器，多变压器系统效率低，系统三相输入单个半桥控制单元耐压低，不适用于高压直流输入，另外输出虽然经过H桥控制单元串联可以形成高压，但输出控单元功率开关管数量较多，也不适合高压直流输电。

技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC拓扑结构，采用模块化半桥控制结构，能够有效地改善中频变压器绕组功率流的双向控制过程中电压和电流的时间变化率，自动实现对电容器电压的均衡，控制灵活，可以有效避免功率控制器件触发导通不同步引起的功率器件承受不可控电压问题。本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种多线圈单相中频方波变压器的高压DC/DC拓扑结构，包括：控制器以及与之连接的滤波电感，其中：控制器采用多级半桥控制单元串联结构，每个半桥控制单元由两条并联支路组成，其中一条支路由包含反并联续流二极管的两个功率开关管串联电路，另一条支路是两个电容器串联电路，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈；所述变压器绕组采用多线圈结构，每个线圈单独引线到控制器；所述变压器同一绕组的多个线圈分为两组，每一组中的每个线圈分别与对应的半桥控制单元连接，其中线圈的同名端方向一致，将变压器同一绕组每组线圈的半桥控制单元顺极性串联起来，组成两组高压绕组控制拓扑与/或两组低压绕组控制拓扑；所述变压器同一绕组的两组控制拓扑经滤波电感分隔后顺极性串联，组成变压器同一绕组的控制拓扑结构，该结构与直流电源连接。优先的，所述变压器的高、低压绕组线圈依次排列，共享一个壳式磁芯磁路，将所述高、低压绕组线圈按照同一绕向各分为两组，各组按照低压、高压绕组线圈依次排列，两组高压绕组线圈夹在两组低压绕组线圈中间，相邻线圈之间用绝缘板隔开；上述线圈引线加绝缘陶瓷管后依次引出，并标记同名端。优先的，所述半桥控制单元中：两个功率开关管串联形成三个联结点P1，P2和P3，两个同规格电容器串联形成三个联结点Q1，Q2和Q3，所述联结点P1与Q1连接引出正极S1+，所述联结点P3与Q3连接引出负极S1-，所述联结点P2与线圈同名端连接，联结点Q2与线圈另一端连接。优先的，所述控制功率可以双向流动。优先的，所述功率开关管控制不存在同步触发非一致性引起的管压降不可控性问题，可实现零电流导通。优选的，所述功率控制过程中，各个电容器电压能实现自动均衡。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：第一，采用半桥控制器拓扑级联结构，实现模块化设计，不需要钳位二极管或飞跨电容。第二，高、低压绕组的线圈绕制在同一磁芯上，每个线圈独立控制，每个线圈承受直流电压低，承受的电压时间变化率小且基本一致，可有效地削弱全压绕组分布电容充电电流大而电位分布不均的波过程。第三，功率开关管也不存在同步触发差异性引起的管压降不可控问题，不需要软开关技术就能实现零电流导通。第四，线圈相互耦合可以实现各直流电容电压的自动均衡，通过中间滤波电感可以有效限制直流电容的充电电流和对电源的纹波电流。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明一实施例中的双向高压DC/DC控制拓扑结构示意图；图2为本发明一实施例中多线圈单相中频方波变压器线圈同名端排列示意图；图3为本发明一实施例中多线圈单相中频方波变压器模块控制结构示意图；图4为本发明一实施例中变压器一个线圈半桥控制控制单元拓扑结构示意图；图中：1-直流电源，2-半桥控制器单元，3-滤波电感，4-功率开关管，5-变压器线圈，6-电容器。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本实施例要解决的问题是，找到一种非严格同步触发，模块化结构，具有自动零电流导通和直流电容器均压功能的中频方波变压器高压DC/DC拓扑结构，有效地降低电压和电流及其时间变化应力。如图1所示，本发明一实施例中的多线圈单相中频方波变压器的双向高压DC/DC控制拓扑结构示意图；该拓扑结构包括：控制器以及与之连接的滤波电感3，其中：控制器采用多级半桥控制单元2串联结构，每个半桥控制单元2由两条并联支路组成，其中一条支路由包含反并联续流二极管的两个功率开关管4串联电路，另一条支路是两个电容器6串联电路，两条支路的中间点分别连接变压器绕组的一个线圈5；所述变压器绕组采用多线圈结构，每个线圈5单独引线到外部的控制器；所述变压器同一绕组的多个线圈分为两组，每一组中的每个线圈5分别与对应的半桥控制单元连接，其中线圈5的同名端方向一致，将变压器同一绕组每组线圈的半桥控制单元顺极性串联起来，组成两组高压绕组控制拓扑与/或两组低压绕组控制拓扑；所述变压器同一绕组的两组控制拓扑经滤波电感3分隔后顺极性串联，组成变压器同一绕组的控制拓扑结构，该结构与直流电源1连接。本实施例中，变压器绕组各线圈绕制在同一磁芯，同名端方向一致，引出线分别连接到带串联滤波电感的、由半桥控制单元组成的高压DC/DC控制拓扑结构，具体操作如下：(1)置备高、低压绕组线圈，将所述线圈按照同一绕向各分为两组，所述各组按照低压、高压线圈依次排列，两组高压线圈夹在两组低压线圈中间，相邻线圈之间用绝缘板隔开，所述绝缘板同组线圈之间2-3mm厚，不同组之间10-15mm厚；(2)将上述线圈引线加绝缘陶瓷管后依次引出，并标记同名端，如附图1所示。(3)将两个分别包含反并联续流二极管的功率开关管串联，形成三个联结点P1，P2和P3，将两个同规格电容器串联，形成三个联结点Q1，Q2和Q3，分别将P1与Q1连接引出正极S1+，P3与Q3连接引出负极S1-，分别将P2与线圈同名端连接，Q2与线圈另一端连接，如附图4所示。(4)将同一绕组的半桥依次顺极性串联，中间串联滤波电感，形成正负两极接直流电源，这时所有功率开关管不导通，直流电源对串联电容器充电，滤波电感起到限制充电电流的作用，如附图4所示。本实施例中频方波变压器高压绕组50kV分为46个线圈，低压绕组5kV也分为4个线圈，每个绕组采用模块化半桥控制器级联拓扑结构。附图1画出了10个单元的拓扑结构，图2画出了变压器一次10个与二次8个线圈的同名端关系，一般形式的模块拓扑结构如附图3所示，附图4是单元拓扑结构，包括电力电子器件、均压电容器和线圈，每个单元的拓扑结构相同。本发明多线圈单相中频方波变压器的高压DC/DC拓扑结构是对每个线圈单独控制，采用半桥控制器拓扑级联结构，不仅可以实现模块化设计，而且可以使每个线圈承受直流电压低，承受的电压时间变化率小且基本一致，可有效地削弱全压绕组分布电容器充电电流大而电位分布不均的波过程，功率开关管也不存在同步触发差异性引起的管压降不可控问题，不需要软开关技术就能实现零电流导通，直流电容器电压能实现自动均衡等优点，通过中间滤波电感可以有效限制直流电容器并联到直流电源的充电电流和对电源的纹波电流。综上，本发明能够有效地改善功率器件电压和电流应力，能实现高于变压器电压的直流母线电压变换，控制过程中由于线圈相互耦合能自动分配线圈电流，实现串联电容电压的均衡。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。