一种并联分流式可扩展中频隔离DC-DC变换器

本发明属于高压大功率电力电子变换，具体涉及一种并联分流式可扩展中频隔离dc-dc变换器。

背景技术：

1、随着高压直流输电、直流电网及新能源直流汇集系统的发展，不同直流电压等级之间需要通过隔离型dc-dc变换装置实现电压变换、功率传输和电气隔离。对于高压大功率应用，dc-dc变换装置需要同时满足较高直流电压等级和较大功率传输容量的要求。

2、现有高压大功率隔离型dc-dc变换器通常采用模块化功率变换结构，通过多个功率子模块串联或级联分担直流侧电压。随着直流电压等级和传输功率的提高，所需功率子模块以及相应功率半导体器件、储能电容和驱动控制电路的数量相应增加，导致装置结构复杂度、体积及成本增加。

3、此外，在较大功率传输场合，若功率主要由单一功率变换通道承担，则功率器件、储能元件以及相关磁性元件需要承受较大的电流应力和热负荷。受限于功率器件容量、散热条件以及单通道功率提升难度，进一步提高变换器功率等级存在一定困难。输出侧采用有源功率变换结构时，还需要配置相应的功率半导体器件及驱动控制环节；采用二极管整流结构虽然能够简化输出侧电路，但仍需要根据输出电压、电流及电压纹波等要求对整流结构进行合理配置。

4、因此，有必要提出一种适用于高压大功率场合的可扩展中频隔离 dc-dc 变换器拓扑，在实现电气隔离的同时，使输入功率能够由多个功率变换单元共同分担，并根据容量需求灵活扩展功率变换单元数量，从而降低单个功率变换单元的电流应力，提高变换器的功率扩展能力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种并联分流式可扩展中频隔离dc-dc变换器，以解决高压大功率隔离型dc-dc变换过程中单个功率变换单元承担功率较大、容量扩展灵活性不足以及直流输出形式受限等问题，并兼顾中频电气隔离、直流侧电压纹波抑制以及整流输出结构的灵活配置。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种并联分流式可扩展中频隔离dc-dc变换器，包括直流输入端、全桥功率单元、至少两个三相功率变换单元、与各所述三相功率变换单元对应的支路电感、中频隔离变压器、整流输出单元以及直流输出端。

4、所述直流输入端包括直流输入正极和直流输入负极。所述全桥功率单元连接于所述直流输入正极与公共直流节点之间；各所述三相功率变换单元的直流正极分别经对应的支路电感连接至所述公共直流节点，各所述三相功率变换单元的直流负极共同连接至所述直流输入负极，从而使至少两个所述三相功率变换单元并联连接于所述公共直流节点与所述直流输入负极之间。多个三相功率变换单元形成相互并联的功率传输支路，使直流输入功率能够由多个三相功率变换单元共同承担，并可通过增加并联三相功率变换单元的数量实现变换容量的模块化扩展。

5、每个所述三相功率变换单元包括a相功率单元、b相功率单元和c相功率单元，各所述相功率单元均包括半桥功率单元和电压翻转单元。所述半桥功率单元用于生成单极性中频电压，所述电压翻转单元用于对所述单极性中频电压进行极性翻转，以形成对应相的中频交流电压。a相功率单元、b相功率单元和c相功率单元分别产生对应相的中频交流电压，从而形成三相中频交流输出。

6、各所述三相功率变换单元的三相交流输出端分别连接对应中频隔离变压器的三相原边绕组，各所述中频隔离变压器将对应三相功率变换单元输出的中频交流功率传输至副边侧，并实现变换器输入侧与输出侧之间的电气隔离。所述中频隔离变压器的副边绕组可根据直流输出需求设置不同的相数、数量及接线方式，使中频隔离变压器除完成中频功率传输和电气隔离外，还能够为后级整流输出形式的配置提供相应的交流输入条件。

7、所述整流输出单元包括多个整流支路，各所述整流支路的交流输入端连接相应的副边绕组输出端。根据直流输出电压、直流输出电流以及整流脉波数等要求，可以对副边绕组形式、整流支路的结构、数量以及各整流支路之间的连接关系进行配置。多个整流支路的直流输出端可采用串联、并联或者串并联组合方式连接，以形成所述直流输出端，从而适应不同直流输出电压和直流输出电流等级的应用需求。

8、所述全桥功率单元设置于所述直流输入正极与所述公共直流节点之间，用于产生相应的补偿电压，以对多个三相功率变换单元运行过程中引起的直流侧电压脉动进行补偿，从而抑制直流输入侧电压纹波。

9、进一步地，所述a相功率单元、b相功率单元和c相功率单元分别生成对应相的中频交流电压，三相中频交流电压的相位依次相差120°，从而形成三相中频交流电压并向对应的中频隔离变压器传输三相中频交流功率。

10、进一步地，各所述相功率单元中的半桥功率单元由多个半桥子模块级联构成。所述半桥功率单元根据对应相交流参考电压的绝对值投入相应数量的半桥子模块，以生成与对应相交流参考电压绝对值相匹配的单极性中频电压。所述电压翻转单元包括多个换相开关臂，各所述换相开关臂包括多个串联连接的功率半导体开关器件；所述电压翻转单元根据对应相交流参考电压的极性，对半桥功率单元输出的单极性中频电压进行极性翻转，从而获得对应相的中频交流电压。由此，半桥功率单元主要完成中频交流电压幅值的合成，电压翻转单元完成输出电压极性的翻转，二者配合形成所需的中频交流电压。

11、进一步地，所述全桥功率单元由多个全桥子模块级联构成，并设置于直流输入正极与公共直流节点之间。所述全桥功率单元根据直流侧电压脉动产生相应的补偿电压，以减小三相功率变换单元运行对直流输入侧电压产生的影响。所述全桥功率单元的具体子模块数量可根据其所需承担的补偿电压以及系统电压等级进行配置。

12、进一步地，各所述三相功率变换单元输出的三相中频交流电压具有相同的频率和幅值，且不同三相功率变换单元的对应相中频交流电压具有相同的相位。由此，各并联三相功率变换单元在相同的交流输出条件下分别向对应的中频隔离功率传输通道传输功率，在维持各功率变换单元交流侧输出关系一致的基础上实现输入功率的多支路传输。

13、进一步地，各所述三相功率变换单元分别连接对应的中频隔离变压器三相原边绕组，并通过对应的中频隔离功率传输通道将中频交流功率传输至副边侧。通过三相功率变换单元与中频隔离功率传输通道之间的对应配置，可在扩展三相功率变换单元数量时配置相应的中频隔离功率传输通道，使变换器的前级功率变换部分和中频隔离部分具有模块化扩展能力。

14、进一步地，所述中频隔离变压器的副边侧设置一个或多个副边绕组。所述副边绕组的相数、数量以及接线方式可根据所需的直流输出形式和整流脉波数进行配置，所述整流输出单元中的整流支路根据对应副边绕组的交流输出形式进行相应配置。因此，中频隔离变压器的副边结构不限于单一的三相副边形式，可根据实际整流输出需求采用相应的多绕组或多相绕组结构。

15、进一步地，各整流支路的直流输出端可根据直流输出电压和直流输出电流要求采用串联、并联或者串并联组合方式连接。其中，通过改变多个整流支路直流输出端的连接方式，可在基本功率变换结构不变的情况下对变换器的直流输出电压和直流输出电流等级进行相应配置。

16、进一步地，在一种多脉波整流配置中，多个整流支路的直流输出端串联连接，并通过配置中频隔离变压器的三相原边绕组和/或副边绕组的接线方式，使不同整流支路的交流输入电压具有预设相位关系。在满足相应相位配置条件时，各整流支路产生的整流脉动能够在直流输出侧相互交错，从而形成相应脉波数的直流输出。通过改变副边绕组数量、绕组接线方式及相应的相位关系，可以根据直流输出电压纹波要求配置不同的整流脉波数，而无需将变换器限定于特定的多脉波整流形式。

17、进一步地，所述三相功率变换单元可扩展为n个，n为不小于2的整数。n个三相功率变换单元并联连接于公共直流节点与直流输入负极之间，并分别通过对应的中频隔离功率传输通道向副边侧传输功率，使直流输入功率由n个三相功率变换单元共同承担。与n个三相功率变换单元相对应，可配置相应的中频隔离功率传输通道、副边绕组及整流支路，并根据所需的变换容量、直流输出电压、直流输出电流及整流脉波数对副边绕组和整流输出结构进行配置，从而实现变换器容量及直流输出形式的模块化扩展。

18、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

19、本发明通过将n个三相功率变换单元并联连接，使直流输入功率由多个功率变换支路共同承担，因此能够降低单个三相功率单元的功率负担，提高系统容量扩展能力和运行可靠性；通过半桥功率单元和电压翻转单元配合形成三相中频交流电压，并经中频隔离变压器向副边侧传输功率，实现电气隔离；整流支路完成副边交流功率向直流功率的转换，同时利用输入侧全桥功率单元输出补偿电压，抑制三相功率变换单元运行产生的直流电压纹波。

20、此外，本发明可根据直流输出电压、直流输出电流及整流脉波数等要求，对中频隔离变压器的副边绕组形式以及整流支路的结构、数量和连接方式进行配置，并通过设置于直流输入正极与公共直流节点之间的全桥功率单元对直流侧电压脉动进行补偿，从而提高变换器在不同容量和直流输出需求下的配置灵活性。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。