一种新型DC/DC变换器的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种新型DC/DC变换器。

背景技术：

随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的逐步应用，需要高电压等级DC/DC变换器来满足不同电压等级直流电网互联以及新能源如离岸风电的直流并网等高压DC/DC能量交互场合要求。而目前的各类DC/DC变换器主要适用于低压电能变换场合，例如电压等级范围为1kV以下的变换器。目前直流输电电压通常在几十kV甚至几百kV，因此以往的低压DC/DC变换器不适用于高压应用场合。

阳光电源股份有限公司申请的专利(CN20140310090.4)涉及一种高变比的直流-直流变换器，但其高压侧电压依然受到电力电子器件耐压限制而不能做高。阿尔斯通技术有限公司提出的专利(201180072746.8)涉及一种直流到直流变换器组件，但是其拓扑需要的模块数量很大，既包含了子模块，还用到单个半导体器件，因此其拓扑复杂、造价与体积也不甚理想。ABB技术有限公司提出的专利(CN201180072949.7)涉及一种基于级联单元的双向非隔离DC-DC变换器，通过电路内部循环交流电流实现两个直流电压源之间功率交换，但是其低压输出侧需要配置一个差模电压滤波器，以实现低压侧直流电压的稳定。因此，亟需要提供一种成本低、空间小、变比范围宽，适用于中大功率场合的DC/DC变换器。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种新型DC/DC变换器。

本发明的技术方案是：

所述变换器包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元、第一电抗器和第二电抗器；所述第一桥臂单元和第二桥臂单元接入低压侧直流电源，所述第三桥臂单元和第四桥臂单元接入高压侧直流电源；

所述第一桥臂单元与第二桥臂单元串联，所述第三桥臂单元与第四桥臂单元串联；

所述第一桥臂单元与第二桥臂单元的连接端，以及所述第三桥臂单元与第四桥臂单元的 连接端直接相连；

所述第一桥臂单元的另一端通过第一电抗器与第三桥臂单元的另一端连接；所述第二桥臂单元的另一端通过第二电抗器与第四桥臂单元的另一端连接。

优选的，所述第一桥臂单元和第二桥臂单元均包括一个第一功率子模块；

所述第一功率子模块包括电容器，以及串联的第一功率器件和第二功率器件；所述电容器并联在第一功率器件和第二功率器件的两端；

优选的，

所述第一桥臂单元中第一功率器件接入低压侧直流电源的正极，第二功率器件与第二桥臂单元的第一功率器件连接；所述第二桥臂单元中第二功率器件接入低压侧直流电源的负极；

所述第一电抗器的一端接入第一桥臂单元中第一功率器件与第二功率器件之间，另一端接入高压侧直流电源的正极；

所述第二电抗器的一端接入第二桥臂单元中第一功率器件与第二功率器件之间，另一端接入高压侧直流电源的负极；

优选的，所述第一桥臂单元和第二桥臂单元均包括一个第一功率子模块和N个第二功率子模块，N至少为1；

所述第一功率子模块包括电容器，以及串联的第一功率器件和第二功率器件；所述电容器并联在第一功率器件和第二功率器件组成的串联支路的两端；

所述第一桥臂单元中第一功率器件接入低压侧直流电源的正极，第二功率器件与第二桥臂单元的第一功率器件连接；所述第一桥臂单元中的N个第二功率子模块级联后组成第一级联支路；所述第一级联支路的一端接入第一功率器件与第二功率器件之间，另一端与第一电抗器连接；所述第一电抗器的另一端接入高压侧直流电源的正极；

所述第二桥臂单元中第二功率器件接入低压侧直流电压的负极；所述第二桥臂单元中的N各第二功率子模块级联后组成第二级联支路；所述第二级联支路的一端接入第一功率器件与第二功率器件之间，另一端与第二电抗器连接；所述第二电抗器的另一端接入高压侧直流电源的负极；

优选的，所述第三桥臂单元和第四桥臂单元均包括至少一个第二功率子模块；

优选的，所述第二功率子模块为半桥功率子模块和H桥功率子模块中任一种。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种新型DC/DC变换器，只需要少量功率子模块即可实现DC/DC变换， 站地小、损耗小；

2、本发明提供的一种新型DC/DC变换器，可以简单地实现大变比、小变比等各种变比直流电压的DC/DC的变换；

3、本发明提供的一种新型DC/DC变换器，基于模块化多电平方案，模块化多电平技术在柔性直流输电、链式STATACOM等领域都有广泛应用，技术较为成熟，因此相通的技术易借鉴并应用于高压DC/DC变换器中；

4、本发明提供的一种新型DC/DC变换器，结构新型、控制简单，应用灵活，设备成本低，耐受电压等级高，且易于扩展至不同电压等级直流电网，包含传统特高压直流电网，也适用于风电等新能源直流并网场合。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种新型DC/DC变换器结构示意图；

图2：本发明实施例中第二功率子模块结构示意图；

图3：本发明实施例中另一第二功率子模块结构示意图；

图4：本发明实施例中第一功率子模块结构示意图；

其中，1：第一桥臂单元；2：第二桥臂单元；3：第三桥臂单元；4：第四桥臂单元；5：第一功率子模块；6：第二功率子模块；7：第一电抗器；8：第二电抗器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种新型DC/DC变换器的实施例如图1所示，具体为：

本实施例中新型DC/DC变换器包括第一桥臂单元1、第二桥臂单元2、第三桥臂单元3、第四桥臂单元4、第一电抗器7和第二电抗器8。其中，

①：第一桥臂单元1和第二桥臂单元2接入低压侧直流电源Vin，第三桥臂单元3和第四桥臂单元4接入高压侧直流电源Vout。第一桥臂单元1与第二桥臂单元2串联，第三桥臂单元3与第四桥臂单元4串联。

②：第一桥臂单元1的另一端通过第一电抗器7与第三桥臂单元3的另一端连接；第二 桥臂单元2的另一端通过第二电抗器7与第四桥臂单元4的另一端连接。

③：第一桥臂单元1与第二桥臂单元2的连接点，以及第三桥臂单元3与第四桥臂单元4的连接点直接相连。

1、第一桥臂单元和第二桥臂单元

本实施例中第一桥臂单元1和第二桥臂单元2的结构相同，包括两种拓扑结构。

(1)第一种拓扑结构

第一桥臂单元1和第二桥臂单元2均包括一个第一功率子模块5。

如图4所示，第一功率子模块5包括电容器，以及串联的第一功率器件和第二功率器件；电容器并联在第一功率器件和第二功率器件组成的串联支路的两端。

第一桥臂单元中1第一功率器件接入低压侧直流电源的正极，第二功率器件与第二桥臂单元的第一功率器件连接；第二桥臂单元2中第二功率器件接入低压侧直流电源的负极。

第一电抗器7的一端接入第一桥臂单元1中第一功率器件与第二功率器件之间，另一端接入高压侧直流电源的正极；

第二电抗器8的一端接入第二桥臂单元2中第一功率器件与第二功率器件之间，另一端接入高压侧直流电源的负极。

(2)第二种拓扑结构

第一桥臂单元1和第二桥臂单元2均包括一个第一功率子模块和N个第二功率子模块，N至少为1。

如图1-3所示，第一桥臂单元1中第一功率器件接入低压侧直流电源的正极，第二功率器件与第二桥臂单元的第一功率器件连接；

第一桥臂单元1中的N个第二功率子模块级联后组成第一级联支路；第一级联支路的一端接入第一功率器件与第二功率器件之间，另一端与第一电抗器连接；第一电抗器的另一端接入高压侧直流电源的正极。

第二桥臂单元2中第二功率器件接入低压侧直流电压的负极；

第二桥臂单元2中的N各第二功率子模块级联后组成第二级联支路；第二级联支路的一端接入第一功率器件与第二功率器件之间，另一端与第二电抗器连接；第二电抗器的另一端接入高压侧直流电源的负极。

本实施例中第三桥臂单元和第四桥臂单元均包括至少一个第二功率子模块。第二功率子模块为半桥功率子模块和H桥功率子模块中任一种。

本实施例中的功率器件均采用全控型电力电子器件，如IGBT、IGCT、IEGT和GTO等。

本发明提供的一种新型DC/DC变换器的工作原理为：

第一桥臂单元1产生一个正向偏置的周期性波形U1，第三桥臂单元3也产生一个正向偏置的周期性波形U2，U1和U2的波形一致，但是相位可以不同。通过调整U1和U2的相位差，实现电抗器电流的双向流动，进而实现高压低压两侧电能的交换。同样，第二桥臂单元2和第四桥臂单元4也通过产生相位可调的波形U3和U4，实现高压低压两侧电能的交换。为了确保高压侧的输出直流电压稳定，需要确保U2+U4的大部分时间内等于高压侧目标电压值。

本实施例中通过基于电流方向判断的电容电压平衡算法，实现桥臂内各个功率子模块的电容电压接近一致。第一桥臂单元1和第二桥臂单元2中的第二功率子模块需要确保单周期内充放电基本一致，才能保证DC/DC变换器的稳定运行，通过调节波形进而控制充/放电电流，来实现第二功率子模块的能量平衡。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。