全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法

本发明属于电力电子技术的技术领域，涉及固态变压器与软开关技术，尤其涉及一种全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，固态变压器受到了广泛的关注，固态变压器除了具备传统变压器隔离和升、降电压功能外，同时集成了电网无功调节、功率控制、谐波抑制以及故障保护等功能；此外，固态变压器能够大幅度减小变压器的体积和重量，提升功率密度；不仅如此，采用模块化的结构可以大幅提升固态变压器耐压等级与功率容量，简化电路设计流程。

但是目前，关于交直流电网输入通用的固态变压器研究较少，且大部分的两级式固态变压器，其前级均工作在硬开关的条件下，这不利用固态变压器效率与功率密度的提升，因此有必要提出一种能够实现全软开关的交直流输入通用的固态变压器。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种减小前级电路开关损耗、实现全软开关的，交直流输入通用的固态变压器电路及其调制方法。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明的一个方面，提出一种全软开关交直流输入固态变压器电路，包括输入滤波电感、n个相同的前级软开关电路和n个相同的后级隔离型dc-dc变换器。

n个前级软开关电路的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与输入滤波电感串联后接入中压交流或直流电网；n个后级隔离型dc-dc变换器的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个前级软开关电路的直流输出端分别与一个后级隔离型dc-dc变换器的直流输入端相连，共同构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。

上述技术方案中，进一步地，前级软开关电路包括第一全桥电路、第一辅助电路与第一输出电容；后级隔离型dc-dc变换器包括第二全桥电路、第一lc谐振电路、第一变压器、第三全桥电路与第二输出电容；第一全桥电路、第二全桥电路与第三全桥电路均包括两组桥臂，第一全桥电路的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管组成，第二全桥电路与第三全桥电路各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成；每个全桥电路的两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；第一全桥电路的两个桥臂中点构成前级软开关电路的交直流输入端；在第一全桥电路的上开关管漏极与第一输出电容正极间接入第一辅助电路，第一全桥电路的下开关管源极与第一输出电容负极相连；第一辅助电路由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管、箝位电容以及辅助电感构成；辅助开关管与箝位电容串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联辅助电感；第二全桥电路的上开关管漏极与下开关管源极构成后级隔离型dc-dc变换器的直流输入端；第一lc谐振电路由谐振电感与谐振电容串联而成；第二全桥电路的桥臂中点与第一lc谐振电路串联后连接第一变压器的原边；第三全桥电路的上开关管漏极与第二输出电容的正极相连，第三全桥电路的下开关管源极与第二输出电容的负极相连；第三全桥电路的桥臂中点与第一变压器的副边相连。

本发明的另一个方面，提出一种上述全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，每个子模块电路驱动信号由前级软开关电路的软开关驱动信号与后级隔离型dc-dc变换器的驱动信号组成；前级软开关电路根据输入电压的交直流特性采用spwm调制对输入交流电压进行整流或采用pwm调制对输入直流电压进行幅值变换，调制时n个前级软开关电路的载波之间具有一定的相移，之后在spwm驱动或pwm驱动的基础上进行软开关调制，从而生成前级软开关电路的软开关驱动信号；后级隔离型dc-dc变换器采用pwm调制，调制时n个后级隔离型dc-dc变换器的载波之间具有一定相移，从而生成后级隔离型dc-dc变换器的驱动信号。

上述方法依赖于以下模块实现：交直流调制波选择模块，前级pwm产生模块，n个相同的软开关调制模块，前级载波产生模块，前级载波移相模块，后级载波产生模块，后级载波移相模块，后级pwm产生模块与后级调制波产生模块。

上述技术方案中，进一步地，交直流调制波选择模块根据输入电压vin的交直流特性，输出对应的调制信号m1并输入前级pwm产生模块；前级载波产生模块产生开关周期为ts1的锯齿波c1并经前级载波移相模块做移相处理后生成n个具有相移α(0°≤α≤360°)的锯齿载波并输入前级pwm产生模块；前级pwm产生模块将调制信号m1与n个锯齿载波分别进行spwm调制或pwm调制，产生n组前级原始驱动，每组前级原始驱动由两路具有死区的互补驱动信号v1k与v2k(1≤k≤n)组成；第k组前级原始驱动信号v1k、v2k与固态变压器输入电流iin共同输入第k个软开关调制模块生成一组前级软开关电路驱动信号，n个软开关调制模块共生成n组前级软开关驱动信号分别用于驱动n个前级软开关电路；后级载波产生模块产生开关周期为ts2的三角波c2并经后级载波移相模块做移相处理后生成n个具有相移β(0°≤β≤360°)的三角载波并输入后级pwm产生模块；后级调制波产生模块生成后级调制波m2并输入后级pwm产生模块；后级pwm产生模块将调制信号m2与n个三角载波分别进行pwm调制，产生n组后级驱动，分别用于驱动n个后级隔离型dc-dc变换器。交直流调制波选择模块包括输入电压判断模块，交流调制波产生模块，直流调制波产生模块与第一选择开关；交流调制波产生模块与直流调制波产生模块分别产生交流调制波与直流调制波并输入第一选择开关；输入电压判断模块对输入电压的交直流特性进行判断并控制第一选择开关选择合适的调制信号输出，也即当输入电压为交流时选择交流调制波，当输入电压为直流时选择直流调制波。软开关调制模块包括第一比较器、第一反相器、输入电流极性判断模块、第一延时模块、第一与门、第二延时模块、第二与门、第一或门、第二选择开关、第二或门、第三或门、第三延时模块、第四延时模块、第四或门、第五或门与第三选择开关；固态变压器输入电流iin输入第一比较器正端，与零比较，输出结果作为驱动信号vgs3，驱动信号vgs3通过第一反相器反相后作为驱动信号vgs4；v1k经第一延时模块延时后的结果与v2k共同输入第一与门生成v3；v2k经第二延时模块延时后的结果与v1k共同输入第二与门生成v4；v3与v4输入第一或门生成直通信号v5；第二选择开关在输入电流极性判断模块的控制下选择将v5输入第二或门或第三或门，也即当iin为正时将v5输入第二或门，将零输入第三或门，而当iin为负时将v5输入第三或门，将零输入第二或门；v1k与v2k分别输入第二或门与第三或门，第二或门与第三或门的输出信号分别为驱动信号vgs1与vgs2；vgs1、vgs2、vgs3、vgs4分别为第k个子模块电路的前级软开关电路中全桥电路的开关管驱动；v2k经第三延时模块延时后的结果与v1k共同输入第四或门生成v6，v1k经第四延时模块延时后的结果与v2k共同输入第五或门生成v7；第三选择开关根据电流极性判断模块的控制选择v6或v7作为第k个子模块电路的前级软开关电路中辅助开关管的驱动信号vgsa，也即当iin为正时选择v6，iin为负时选择v7；第一延时模块、第二延时模块、第三延时模块、第四延时模块延时时间分别为：td1、td2、td3与td4，满足td1＝td2，td3＝td4，td1<td3。

本发明的有益效果如下：

采用本发明的全软开关交直流输入固态变压器电路及其调制方法，可以将同一固态变压器电路通用于交流电网输入或直流电网输入的场合；可以实现固态变压器前级电路的零电压开通，减小开关管的开通损耗与反向恢复损耗，有利于提升固态变压器的效率与功率密度；可以利用模块化的设计思路提升固态变压器耐压等级与功率容量，简化设计流程。

附图说明

图1为全软开关交直流输入固态变压器整体电路示意图；

图2为全软开关交直流输入固态变压器中前级软开关电路电路图；

图3为全软开关交直流输入固态变压器中后级隔离型dc-dc变换器电路图；

图4为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图；

图5为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图中交直流调制波选择模块的具体实现框图；

图6为全软开关交直流输入固态变压器的调制方法实现框图中软开关调制模块的具体实现框图；

图7为当子模块个数n等于3时的全软开关交直流输入固态变压器电路图；

图8为当子模块个数n等于3且输入电流iin为正时在一个开关周期内各个开关管的驱动信号示意图；

图9为当子模块个数n等于3且输入电流iin为负时在一个开关周期内各个开关管的驱动信号示意图；

图10为当输入电流iin为正时在一个开关周期内子模块电路1的关键波形示意图；

图11～图24为当输入电流iin为正时在一个开关周期内子模块电路1的各阶段等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，一种全软开关交直流输入固态变压器电路，包括输入滤波电感100、n个相同的前级软开关电路200和n个相同的后级隔离型dc-dc变换器300；n个前级软开关电路200的交直流输入端串联后形成输入端口，输入端口与输入滤波电感100串联后接入中压交流或直流电网；n个后级隔离型dc-dc变换器300的直流输出端并联后形成输出端口，输出端口与低压直流电网或负载相连；每个前级软开关电路200的直流输出端分别与一个后级隔离型dc-dc变换器300的直流输入端相连，共同构成一个子模块电路，共形成n个子模块电路。

参照图2，前级软开关电路200包括第一全桥电路201、第一辅助电路202与第一输出电容203；第一全桥电路201的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管与谐振电容的全控型开关管组成，两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连；第一全桥电路201的两个桥臂中点构成前级软开关电路200的交直流输入端；在第一全桥电路201的上开关管漏极与第一输出电容203正极间接入第一辅助电路202，第一全桥电路201的下开关管源极与第一输出电容203负极相连；第一辅助电路202由包含反并联二极管与谐振电容的全控型的辅助开关管208、箝位电容209以及辅助电感210构成；辅助开关管208与箝位电容209串联形成串联支路，在该串联支路的两端并联辅助电感210。

参照图3，后级隔离型dc-dc变换器300包括第二全桥电路301、第一lc谐振电路302、第一变压器303、第三全桥电路304与第二输出电容305。第二全桥电路301与第三全桥电路304各自的两组桥臂均由两个串联的包含反并联二极管的全控型开关管组成，每个全桥电路的两组桥臂的两个上开关管漏极相连，两个下开关管源极相连。第二全桥电路301的上开关管漏极与下开关管源极构成后级隔离型dc-dc变换器300的直流输入端；第一lc谐振电路302由谐振电感310与谐振电容311串联而成；第二全桥电路301的桥臂中点与第一lc谐振电路302串联后连接第一变压器303的原边；第三全桥电路304的上开关管漏极与第二输出电容305的正极相连，第三全桥电路304的下开关管源极与第二输出电容305的负极相连；第三全桥电路304的桥臂中点与第一变压器303的副边相连。

参照图4，一种全软开关交直流输入固态变压器的调制方法，包括交直流调制波选择模块400，前级pwm产生模块500，n个相同的软开关调制模块600，前级载波产生模块700，前级载波移相模块800，后级载波产生模块900，后级载波移相模块1000，后级pwm产生模块1100与后级调制波产生模块1200；交直流调制波选择模块400根据输入电压vin的交直流特性，输出对应的调制信号m1并输入前级pwm产生模块500；前级载波产生模块700产生开关周期为ts1的锯齿波c1并经前级载波移相模块800做移相处理后生成n个具有相移α(0°≤α≤360°)的锯齿载波并输入前级pwm产生模块500；前级pwm产生模块500将调制信号m1与n个锯齿载波分别进行spwm调制或pwm调制，产生n组前级原始驱动，每组前级原始驱动由两路具有死区的互补驱动信号v1k与v2k(1≤k≤n)组成；第k组前级原始驱动信号v1k、v2k与固态变压器输入电流iin共同输入第k个软开关调制模块600生成一组前级软开关电路驱动信号，n个软开关调制模块600共生成n组前级软开关驱动信号分别用于驱动n个前级软开关电路200；后级载波产生模块900产生开关周期为ts2的三角波c2并经后级载波移相模块1000做移相处理后生成n个具有相移β(0°≤β≤360°)的三角载波并输入后级pwm产生模块1100；后级调制波产生模块1200生成后级调制波m2并输入后级pwm产生模块1100；后级pwm产生模块1100将调制信号m2与n个三角载波分别进行pwm调制，产生n组后级驱动，分别用于驱动n个后级隔离型dc-dc变换器300。

参照图5，交直流调制波选择模块400包括输入电压判断模块401，交流调制波产生模块402，直流调制波产生模块403与第一选择开关404；交流调制波产生模块402与直流调制波产生模块403分别产生交流调制波与直流调制波并输入第一选择开关404；输入电压判断模块401对输入电压的交直流特性进行判断并控制第一选择开关404选择合适的调制信号输出，也即当输入电压为交流时选择交流调制波，当输入电压为直流时选择直流调制波。

参照图6，软开关调制模块600包括第一比较器601、第一反相器602、输入电流极性判断模块603、第一延时模块604、第一与门605、第二延时模块606、第二与门607、第一或门608、第二选择开关609、第二或门610、第三或门611、第三延时模块612、第四延时模块613、第四或门614、第五或门615与第三选择开关616；固态变压器输入电流iin输入第一比较器601正端，与零比较，输出结果作为驱动信号vgs3，驱动信号vgs3通过第一反相器602反相后作为驱动信号vgs4；v1k经第一延时模块604延时后的结果与v2k共同输入第一与门605生成v3；v2k经第二延时模块606延时后的结果与v1k共同输入第二与门607生成v4；v3与v4输入第一或门608生成直通信号v5；第二选择开关609在输入电流极性判断模块603的控制下选择将v5输入第二或门610或第三或门611，也即当iin为正时将v5输入第二或门610，将零输入第三或门611，而当iin为负时将v5输入第三或门611，将零输入第二或门610；v1k与v2k分别输入第二或门610与第三或门611，第二或门610与第三或门611的输出信号分别为驱动信号vgs1与vgs2；vgs1、vgs2、vgs3、vgs4分别为第k个子模块电路中前级软开关电路的全桥电路开关管的驱动信号；v2k经第三延时模块612延时后的结果与v1k共同输入第四或门614生成v6，v1k经第四延时模块613延时后的结果与v2k共同输入第五或门615生成v7；第三选择开关616根据电流极性判断模块603的控制选择v6或v7作为第k个子模块电路中前级软开关电路的辅助开关管的驱动信号vgsa，也即当iin为正时选择v6，iin为负时选择v7；第一延时模块604、第二延时模块606、第三延时模块612、第四延时模块613延时时间分别为：td1、td2、td3与td4，满足td1＝td2，td3＝td4，td1<td3。

参照图7，当子模块个数n等于3时的全软开关交直流输入固态变压器电路图如图7所示，每个子模块电路结构相同，且子模块电路间采用输入串联、输出并联的方式进行组合。

当子模块个数n等于3时，图8与图9分别为输入电流iin为正与输入电流iin为负时在一个开关周期内各个开关管的驱动信号示意图，对于图8，此时输入电网电压为直流或处于交流的正半周，对于图9，此时输入电网电压处于交流的负半周；对每个子模块电路而言，其前级软开关电路的驱动由4个全桥电路驱动以及一个辅管驱动组成，后级隔离型dc-dc变换器原边全桥电路采用pwm驱动，副边全桥电路采用不控整流；不同子模块电路间的驱动存在相移。

不同子模块电路的工作过程基本相同，以子模块电路1为例，当输入电流iin为正时，其在一个开关周期内共有14个工作状态，不同工作状态的主要波形图如图10所示，不同工作状态的等效电路分别对应图11～图24。其他子模块工作过程与之类似，当输入电流iin为负时电路工作过程可同理分析获得。

假设在一个开关周期内，电容cdc_1与cc_1的电压vdc_1与vcc_1保持不变，那么在一个开关周期内具体阶段分析如下：

阶段1：t0～t1

如图11所示，前级电路si1_1、si3_1与sa_1导通，输入电流iin通过si1_1、si3_1续流，箝位电容两端电压为vcc_1，在vcc_1的作用下，辅助电感电流ila_1线性下降；后级隔离型dc-dc变换器so1_1、so3_1导通，桥臂中点间电压vp_1大于零，谐振电流ip_1为正，副边通过do5_1、do7_1进行整流。本阶段直到t1时刻si1_1、so1_1、so3_1关断结束。

阶段2：t1～t2

如图12所示，t1时刻si1_1关断，输入电流通过di1_1续流，ila_1在vcc_1的作用下线性下降；同时so1_1、so3_1关断，ip_1换流至do2_1、do4_1导通，这为so2_1、so4_1的零电压开通提供了条件。本阶段直到t2时刻sa_1关断结束。

阶段3：t2～t3

如图13所示，t2时刻sa_1关断，辅助电感la_1与电容ci2_1、ci4_1、ca_1发生谐振，在电流ila_1的作用下，电容ci2_1、ci4_1放电，电容ca_1充电，母线电压vbus_1下降，电容ca_t两端电压上升；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段2相同。本阶段直到t3时刻母线电压vbus_1下降到零结束。

阶段4：t3～t4

如图14所示，t3时刻母线电压vbus_1下降到零，辅管电容ca_1充电至vdc_1+vcc_1，ila_1经di1_1、di2_1、di4_1、si3_1续流，这为si1_1、si2_1、si4_1的零电压开通创造了条件，ila_1在vdc_1的作用下线性上升；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段2相同。本阶段直到t4时刻si1_1、si2_1、si4_1、so2_1、so4_1开通结束。

阶段5：t4～t5

如图15所示，t4时刻si1_1、si2_1、si4_1零电压开通，ila_1由di1_1、di2_1、di4_1换流至si1_1、si2_1、si4_1，输入电流iin经si2_1与si3_1续流，ila_1在vdc_1的作用下线性上升；同时t4时刻so2_1、so4_1零电压开通，ip_1由do2_1、do4_1换流至so2_1、so4_1。本阶段直到t5时刻ip_1下降到零结束。

阶段6：t5～t6

如图16所示，t6时刻ip_1下降到零，在ip_1的作用下，后级隔离型dc-dc变换器副边由do5_1、do7_1换流至do6_1、do8_1；前级软开关电路工作状态与阶段5相同。本阶段直到t6时刻，si1_1、si4_1关断结束。

阶段7：t6～t7

如图17所示，t6时刻，si1_1、si4_1关断，辅助电感la_1与电容ci1_1、ci4_1、ca_1发生谐振，在电流ila_1的作用下，电容ci1_1、ci4_1充电，电容ca_1放电，母线电压vbus_1上升，电容ca_1两端电压下降。后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段6相同。本阶段直到t7时刻电容ca_1两端电压下降到零结束。

阶段8：t7～t8

如图18所示，t7时刻电容ca_1两端电压下降到零，电容ci1_1、ci4_1充电至vdc_1+vcc_1，输入电流iin经si2_1与si3_1续流，辅管二极管da_1续流导通，这为辅管sa_1的零电压开通创造了条件，ila_1在vcc_1的作用下线性下降；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段6相同。本阶段直到t8时刻sa_1开通结束。

阶段9：t8～t9

如图19所示，t8时刻sa_1零电压开通结束，ila_1由da_1换流至sa_1，ila_1在vcc_1的作用下线性下降；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段6相同。本阶段直到t9时刻si2_1关断结束。

阶段10：t9～t10

如图20所示，t9时刻si2_1关断，在输入电流iin的作用下，电容ci1_1放电，ci2_1充电，ila_1在vcc_1的作用下线性下降；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段6相同。本阶段直到t10时刻so2_1、so4_1关断结束。

阶段11：t10～t11

如图21所示，t10时刻so2_1、so4_1关断，在电流ip_1的作用下，二极管do1_1、do3_1导通，这为so1_1、so3_1的零电压开通创造了条件；ci1_1放电至零，ci2_1充电至vdc_1+vcc_1，输入电流iin通过di1_1、si3_1续流，这为si1_1的零电压开通创造了条件，ila_1在vcc_1的作用下线性下降。本阶段直到t11时刻si1_1开通结束。

阶段12：t11～t12

如图22所示，t11时刻si1_1零电压开通，iin通过si1_1、si3_1续流，ila_1在vcc_1的作用下线性下降；后级隔离型dc-dc变换器工作状态与阶段11相同。本阶段直到t12时刻so1_1、so3_1开通结束。

阶段13：t12～t13

如图23所示，t12时刻so1_1、so3_1零电压开通，ip_1由do1_1、do3_1换流至so1_1、so3_1；前级软开关电路工作状态与阶段12相同。本阶段直到t13时刻ip_1上升到零结束。

阶段14：t13～t14

如图24所示，t13时刻ip_1上升到零，后级隔离型dc-dc变换器副边由do6_1、do8_1换流至do5_1、do7_1；前级软开关电路工作状态与阶段12相同，本阶段与阶段1相同。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。