一种采用空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器

1.本发明涉及变压器设备领域，具体涉及一种采用空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器。


背景技术：

2.在双碳背景下，新能源系统得到大力发展，作为新能源系统中的重要组成部分，直流网系统及其相关技术成为新的技术关注点。在直流网与交流网的交互过程中，固态变压器凭借其高功率性和可控性与直流网相关的系统设计得到着重发展，与交流网交互过程中，固态变压器凭借其高功率性和可控性等特点，在今年来发展很快，是具有发展潜力的电力电子方面的技术之一，与常规变压器相比，固态变压器特点在于可以实现原副边电流及功率的灵活控制，在实现灵活的输电方式同时，对功率潮流进行控制。
3.在目前的固态变压器市场中，固态变压器内部大部分采用级联结构，所以在生产固态变压器的过程中，需要采用大量的高频变压器结构，在固态变压器的生产过程中，一般将产品封装为三个模块，如图1所示，分别为高频变压器原边侧各变换器模块集合，高频变压器，高频变压器副边侧变换器模块集合，在装配过程中需要将三个模块分别封装最终装配到一起，一定程度上增加了装配过程的工作量。 在高频运行状态下，电路中直流阻隔电容较大，开关管电压压力增加，此外，传统变压器中的双有源全桥结构采用8个开关管，过多的开关管会影响能量的传输效率。此外，平行位置的线圈间的寄生电容较大。 此外，传统的双有源桥dc-dc变换器中，普通桥式结构在某些情况下开关管应力较大，容易造成电路故障，且无法满足控制多样性特点。


技术实现要素：

4.为了简化封装流程和提高固态变压器的性能，提出一种采用空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器，基于空气耦合线圈结构，同时改变线圈的相互位置，减少原边侧和副边侧线圈寄生电容；通过设计一种新型桥式结构，将通过合理的开关管布局减小输出端电压应力。
5.一种采用空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器，包括原边侧的级联的n个ac-ac变换器，副边侧的级联的n个新型桥式ac/dc整流模块，以及设置在原边侧和副边侧之间的空气耦合线圈；固态变压器的输入为高压级公共直流母线，输出为低压级公共直流母线，同时低压级公共直流母线与负载相连接；ac-ac变换器包括新型桥式ac/dc整流模块、新型桥式dc/ac逆变模块；原边侧连接电网，通过整流和逆变后，由空气耦合线圈传输至副边侧进行整流，输出给负载；空气耦合线圈串联谐振补偿结构对电路进行补偿。
6.进一步地，在原边侧的新型桥式ac/dc整流模块中，开关管q1的发射极、开关管q2
的集电极与整流模块输入端正极相连，开关管q1的集电极、开关管q3的发射极与开关管q4的集电极相连，开关管q2的发射极、开关管q5的发射极与开关管q6的集电极相连，开关管q4的发射极、开关管q5的集电极与电容c1下端，电容c2上端相连且与整流模块输入端负极相连，开关管q3集电极、电容c1上端与整流模块输出端正极相连，开关管q6发射极、电容c2下端与整流模块输出端负极相连，以此构成一个完整的整流模块。
7.进一步地，开关管q1、q3、q5呈同相状态，开关管q2、q4、q6呈同相状态，开关管q1、q3、q5与开关管q2、q4、q6呈互补状态，两者之间存在死区时间。
8.进一步地，在原边侧的新型桥式dc/ac逆变模块中，开关管q7的发射极、开关管q8的集电极与逆变模块输出端负极相连，开关管q7的集电极、开关管q9的发射极与开关管q10的集电极相连，开关管q8的发射极、开关管q11的发射极与开关管q12的集电极相连，开关管q10的发射极、开关管q11的集电极与电容c3下端，电容c4上端相连，并与逆变模块输出端正极相连，开关管q9集电极、电容c3上端与逆变模块输入端正极相连，逆变模块输入端负极、开关管q12发射极与电容c4下端相连，以此构成一个完整的逆变模块。
9.进一步地，开关管q7、q9、q11呈同相状态，开关管q8、q10、q12呈同相状态，开关管q7、q9、q11和开关管q8、q10、q12呈互补状态，两者之间存在死区时间。
10.进一步地，在副边侧的新型桥式ac/dc整流模块中，开关管q13的发射极、开关管q14的集电极与整流模块输出端负极相连，开关管q13的集电极、开关管q15的发射极与开关管q16的集电极相连，开关管q14的发射极、开关管q17的发射极与开关管q18的集电极相连，开关管q16的发射极、开关管q17的集电极与电容c5下端，电容c6上端相连，并与整流模块输出端正极相连，开关管q15集电极、电容c5上端与整流模块输入端正极相连，整流模块输入端负极、开关管q18发射极与电容c6下端相连，以此构成一个完整的整流模块。
11.进一步地，谐振补偿结构包括原边侧电路谐振补偿电容和副边侧电路谐振补偿电容。
12.进一步地，空气耦合线圈采用i型结构的铁氧体铁芯线圈，包括设置在内侧并相对间隔的两内板和设在两内板两侧的两外板，初级线圈和次级线圈分别绕制两侧的内板和外板之间的铁氧体磁芯上。
13.进一步地，两内板之间间隔3cm，内板尺寸为12cm*12cm*1cm，外板尺寸为20cm*20cm*1cm，内板与外板之间间隔为10cm，初级线圈和次级线圈的缠绕匝数为12匝，两侧线圈绕制方向相反。
14.本发明达到的有益效果为：（1）允许线圈与原边侧变换器或副边侧变换器封装在一起，将传统的固态变压器中三部分封装简化为两部分封装，简化了封装流程；（2）空气耦合线圈通过额外的串联谐振补偿结构对电路进行补偿，减少漏电感；（3）i型磁芯的结构及对应的缠绕方式可以有效保证传输效率；（4）通过空气耦合线圈结构减小了初级线圈和次级线圈之间的寄生电容；（5）通过新型桥式电路及开关顺序减小输出端开关管的电压应力；（6）基于级联结构的固态变压器可以通过控制高压级公共直流母线电压的恒定，实现抑制三相不平衡负荷对电网的影响，以及电网出现三相不对称对交流负荷的影响。
附图说明
15.图1为本发明背景技术中的传统固态变压器封装图。
16.图2为本发明实施例中的所设计固态变压器电路结构图。
17.图3为本发明实施例中的原边侧双ac-ac变换器电路结构图。
18.图4为本发明实施例中的副边侧整流电路结构图。
19.图5为本发明实施例中的新型桥式结构中开关管的开关顺序图。
20.图6为本发明实施例中的线圈串联谐振补偿结构图。
21.图7为本发明实施例中的仿真模型图。
22.图8为本发明实施例中的仿真结果图。
23.图9为本发明实施例中的i型磁芯结构图。
24.图10为本发明实施例中的i型磁芯缠绕方式示意图。
25.图11为本发明实施例中的所设计固态变压器封装图。
具体实施方式
26.下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
27.一种空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器，其改进之处在于将固态变压器中的高频变压器部分用空气耦合结构的线圈替代。 此设计将原边的初级线圈与副边的次级线圈分别通过空气耦合形式进行耦合，简化了固态变压器的封装，其电路结构如图2所示。此结构由原边侧的新型桥式ac/dc整流模块、新型桥式dc/ac逆变模块，副边侧的新型桥式ac/dc整流模块，空气耦合的线圈组成。
28.原边侧电路由n个ac-ac变换器级联组成，每个ac-ac变换器中，包含一个ac/dc整流模块和一个dc/ac逆变模块，整流模块和逆变模块均采用新型桥式结构组成，新型桥式电路中开关管采用igbt，ac-ac变换器如图3所示。
29.在整流模块中，开关管q1的发射极、开关管q2的集电极与整流模块输入端正极相连，开关管q1的集电极、开关管q3的发射极与开关管q4的集电极相连，开关管q2的发射极、开关管q5的发射极与开关管q6的集电极相连，开关管q4的发射极、开关管q5的集电极与电容c1下端，电容c2上端相连且与整流模块输入端负极相连，开关管q3集电极、电容c1上端与整流模块输出端正极相连，开关管q6发射极、电容c2下端与整流模块输出端负极相连，以此构成一个完整的整流模块。
30.在逆变模块中，开关管q7的发射极、开关管q8的集电极与逆变模块输出端负极相连，开关管q7的集电极、开关管q9的发射极与开关管q10的集电极相连，开关管q8的发射极、开关管q11的发射极与开关管q12的集电极相连，开关管q10的发射极、开关管q11的集电极与电容c3下端，电容c4上端相连，并与逆变模块输出端正极相连，开关管q9集电极、电容c3上端与逆变模块输入端正极相连，逆变模块输入端负极、开关管q12发射极与电容c4下端相连，以此构成一个完整的逆变模块。
31.逆变模块输入端正极与整流模块输出端正极相连，逆变模块输入端负极与整流模块输出端负极相连，经此构成ac-ac变换器模块，其中逆变模块的输出端与空气耦合变压器的原边线圈相连。
32.在空气耦合变压器副边侧电路中，由上述的整流模块构成，其中，开关管q13的发
射极、开关管q14的集电极与整流模块输出端负极相连，开关管q13的集电极、开关管q15的发射极与开关管q16的集电极相连，开关管q14的发射极、开关管q17的发射极与开关管q18的集电极相连，开关管q16的发射极、开关管q17的集电极与电容c5下端，电容c6上端相连，并与整流模块输出端正极相连，开关管q15集电极、电容c5上端与整流模块输入端正极相连，整流模块输入端负极、开关管q18发射极与电容c6下端相连，以此构成一个完整的整流模块。
33.在原边侧电路中，级联了n个ac-ac变换器，每个ac-ac 变换器包含一个整流模块和一个逆变模块，在级联的ac-ac变换器中，第1个ac-ac变换器的输入端正极与中压电网的正极连接，在第2个到第n-1个ac-ac变换器模块中，前一个ac-ac变换器的输入端负极与后一个ac-ac变换器的输入端正极连接，第n个ac-ac变换器的负极接地。每个级联的ac-ac变换器的输出端连接一个缠绕在空气耦合线圈上的线圈。
34.在新型桥式结构中开关管的开关顺序如图5所示，在原边整流模块中开关管q1、q3、q5呈同相状态，开关管q2、q4、q6呈同相状态，开关管q1、q3、q5与开关管q2、q4、q6呈互补状态，两者之间存在死区时间[td，te]。原边逆变模块中，开关管q7、q9、q11呈同相状态，开关管q8、q10、q12呈同相状态，开关管q7、q9、q11和开关管q8、q10、q12呈互补状态，两者之间存在死区时间[tb，tc]和[tf，tg]。
[0035]
在ta-tb内，原边电感电流ip如下式所示：在tb-tc内，原边电感电流ip如下式所示：在tc-td内，原边电感电流ip如下式所示：在td-te内，原边电感电流ip如下式所示：在te-tf内，原边电感电流ip如下式所示：在tf-ts内，原边电感电流ip如下式所示：在tg-ts内，原边电感电流ip如下式所示：上述公式中，n代表变压器线圈匝数，l代表原边补偿电路中电感值，vin代表原边逆变模块的输入电压，vout代表副边整流模块的输出电压，t代表时间。
[0036]
在此设计中，由于空气耦合线圈在物理上相互隔离，所以线圈可以与原边侧和副
边侧变换器结构捆绑在一起，所设计固态变压器的封装只需要针对两个模块：级联的ac-ac变换器模块及对应的原边侧线圈，级联的副边整流模块及对应的副边线圈。
[0037]
由于所设计的两磁芯之间气隙较大，原边侧线圈与副边侧线圈的耦合较弱，造成线圈漏电感较大，所以该空气耦合线圈需要额外的电感补偿结构对电路进行补偿，补偿部分结构如图6所示，l为补偿电感。
[0038]
在通过理论分析后进行相关仿真，搭建如图7所示相关模型，图中为固态变压器中单个单元中整流-逆变-耦合-整流结构的相关仿真，由理论计算得，相关结构的单相电源的幅值为22v时候，控制输出电压为5.5v左右，仿真结果所示，由图8可知，该结构在相关电力变换的结果上是符合理论计算的。
[0039]
由于空气耦合线圈的效率低于传统变压器，为了实现功率的高效传输，所以在此使用一款i型结构的铁氧体铁芯线圈，空气耦合线圈选用i型结构的铁氧体铁芯线圈进行实现，线圈之间的目标气隙长度为3厘米，即内板之间间隔3cm，i型结构的铁氧体铁芯结构如图9所示，分为内板与外板，内板通过减小气隙中磁场强度的集中程度，以此降低涡流绕组的损耗，外板的作用是增强线圈的磁力耦合，内板尺寸为12cm*12cm*1cm，外板尺寸为20cm*20cm*1cm，内板与外板之间间隔为10cm，材料采用铁氧体作为磁芯，为了使得自感系数达到100uh，初级线圈和次级线圈的缠绕匝数为12匝，缠绕方式如图10所示，其中左侧即对应于原边侧线圈，右侧对应于副边侧线圈，两侧的线圈绕制方向相反。
[0040]
最终，本实施例设计了一种采用空气耦合谐振直流变换器结构的固态变压器，此结构允许线圈与原边侧变换器或副边侧变换器封装在一起，将传统的固态变压器中三部分封装简化为两部分封装，如图11所示两封装内部结构分别为：级联的新型桥式ac-ac变换器模块及对应的原边侧线圈，级联的副边新型桥式整流模块及对应的副边线圈。空气耦合线圈通过额外的串联谐振补偿结构对电路进行补偿，在保证了传输效率情况下简化了封装流程，同时减小了初级线圈和次级线圈之间的寄生电容，减少了开关管两边的应力。
[0041]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。