非隔离型的电力电子变压器的制作方法

本发明涉及电力电子变换，尤其涉及一种非隔离型的电力电子变压器。

背景技术：

1、在电源中高压变换、牵引网供电及微电网等领域，现有的中高压交交电源变换器常采用隔离变压器以及复杂的多级结构。目前高压大功率的应用场景下常见的交交变换结构主要分为工频变压器和电力电子变压器。其中，工频变压器的原理是利用电磁感应，在一次侧绕组通入工频交流电后产生交变磁场，通过导磁材料（如硅钢片）将磁场高效引导并耦合至二次侧绕组，在二次侧感应出电动势。工频变压器技术成熟、可靠性高，但其体积大且会一定程度上耗散功率，大部分变压器难以调节变比，不可控传输功率大小与电压电流相位，无法适应复杂工况的需求。

2、电力电子变压器大多数采用含有工频或者高频变压器的隔离型电力电子变压器，整体结构如图1所示，图1为传统的电力电子变压器结构图，如图1中的(a)部分高频隔离型电力电子变压器所示，由前后级联整流器和逆变器、直流变换单元组成；近年来也有基于非隔离型的结构如图1中的(b)部分非隔离型电力电子变压器所示，由前后级联整流器和级联逆变器组成，可以通过闭环控制调节直流侧电容电压与输入输出电压幅值与输入输出电流的幅值和相位，二者细节电路图如图2所示，图2为传统的电力电子变压器电路图，其中的(a)部分是隔离型电力电子变压器电路图，(b)部分是非隔离型电力电子变压器电路图。电力电子变压器由于采用脉冲宽度调制（pulse width modulation，pwm）控制，可控制输入输出电压电流波形并可双端口并网，但其结构复杂且同时保留了工频或者高频变压器，因此依然存在体积大、功率因数低的缺点。现有非隔离型电力电子变压器虽然省了隔离变压器，但依然存在开关器件数量多、结构复杂、成本高、模块间电容可能发生短路的问题。

3、因此，现有技术的问题在于：为了在部分不需要隔离的应用场景优化隔离型电力电子变压器的配置，削减变压器的部分结构从而减少开关器件的使用和缩减变压器体积、提高变压器效率，亟须一种改进型的非隔离型的电力电子变压器，以有效缩减非隔离型电力电子变压器的成本和体积。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种非隔离型的电力电子变压器，用以解决有效缩减非隔离型电力电子变压器的成本和体积的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种非隔离型的电力电子变压器，包括：n个依次级联的全桥整流器模块、第一端口和第二端口，n为大于等于2的正整数；每个所述全桥整流器模块包括全桥开关单元和直流电容，所述全桥开关单元具有第一交流端和第二交流端，相邻两个所述全桥整流器模块中，前一全桥整流器模块的第二交流端与后一全桥整流器模块的第一交流端相连接；第一全桥整流器模块的直流电容两端并联有第一桥臂，第n全桥整流器模块的直流电容两端并联有第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂为半桥结构；所述第一端口的第一正接线端经第一电抗器与所述第一全桥整流器模块的所述全桥开关单元的第一交流输入正端连接，所述第一端口的第一负接线端与所述第n全桥整流器模块的所述全桥开关单元的第n交流输入负端连接；所述第二端口的第二正接线端经第二电抗器与所述第一桥臂的中点连接，所述第二端口的第二负接线端与所述第二桥臂的中点连接。

3、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中所述电力电子变压器包括4n+4个开关管和n个直流电容，其中，n个所述全桥开关单元包括4n个开关管，所述第一桥臂包括2个开关管和所述第二桥臂包括2个开关管。

4、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中所述第一端口的端口电压与所述第二端口的端口电压满足：；其中，为所述第一端口的端口电压，为所述第二端口的端口电压，为单个全桥整流器模块的直流电容电压。

5、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，还包括：调制单元，所述调制单元采用正三角载波和负三角载波两列三角载波，分别对所述第一端口对应的第一调制波和所述第二端口对应的第二调制波同时进行调制，调制时所述第一端口的端口电压的高电平与所述第二端口的端口电压的高电平中央对齐，所述第一端口的端口电压的低电平与所述第二端口的端口电压的低电平中央对齐；所述第一调制波与所述第二调制波的差值不大于，其中，为单个全桥整流器模块的直流电容电压，n为所述级联的全桥整流器模块的数量。

6、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中当所述第一端口与所述第二端口工作于同电压幅值调相模式时，所述第一调制波与所述第二调制波的调制度均为m，相位分别为和，两列调制波的电压幅值之差的最大值在时刻取得，且满足：；当n=3时，所述第一端口与所述第二端口的最大相位差满足：；当所述全桥整流器模块的数量为n时，满足：；其中，为所述第一调制波的电压幅值，为所述第二调制波的电压幅值，m为调制度，、分别为所述第一调制波和所述第二调制波的相位，为全桥整流器模块数量为n时两列调制波的调制度，e为单个所述全桥整流器模块的直流电容电压。

7、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中当所述第一端口与所述第二端口工作于同相位调压模式时，所述第一调制波与所述第二调制波的调制度分别为和，且二者具有共同的相位，两列调制波的电压幅值之差的最大值在时刻取得，且满足：；当n=3时，满足：；当所述全桥整流器模块的数量为n时，满足：；其中，为所述第一调制波的电压幅值，为所述第二调制波的电压幅值，e为单个所述全桥整流器模块的直流电容电压。

8、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中所述电力电子变压器通过所述第一桥臂、所述第二桥臂及与所述第一端口和所述第二端口相连的桥臂的开关状态差异，改变各端口与边缘处的全桥整流器模块的直流电容的接触点，以在所述第一端口和所述第二端口合成电平；其中，所述第一端口与所述第二端口的电平分别为3e和e、2e和0或e和-e，e为单个所述全桥整流器模块的直流电容电压。

9、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中当所述第一端口的输入电压电流含有谐波和无功分量时，纹波功率消耗于各所述直流电容上，以使所述第二端口输出单位功率因数且无谐波的电压电流。

10、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中所述第一端口和所述第二端口均配置为与交流电源并网运行实现电能的双向传输，并通过闭环控制调节各所述直流电容的电压以及所述第一端口和所述第二端口的输出电压幅值、输出电流的幅值和相位，以控制输入输出侧的有功功率、无功功率和谐波。

11、结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中所述n个依次级联的全桥整流器模块通过增加级联的所述全桥开关单元的数量进行扩展。

12、本发明提供的非隔离型的电力电子变压器简化了非隔离型电力电子变压器的拓扑结构，相比传统非隔离电力电子变压器，开关管数量从8n个减少为4n+4个，具有成本和体积优势。另外，本发明提出了适用于所提拓扑结构的调制方法，能够达到拓扑结构限制的最大工作范围，同时成功在维持直流侧电压均衡的条件下完成调压、调相运行。而且，本发明所提的拓扑能够实现能量的双向传输，同时可控制输入输出的有功无功、谐波等关键物理量。本发明所提拓扑可通过扩展级联结构数量从而提高整体耐压与输出端口电能质量。

13、本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

14、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。