一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器的制作方法

1.本发明涉及直流电压变换器的开源科研测试技术领域，具体涉及一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器。


背景技术：

2.直流微电网以其控制结构简单、转换次数少等优势，能更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷，而直流电压变换器作为直流微电网的关键器件，以其可进行直流电压变换、双向电流控制、升降压控制逻辑简单的优势广泛应用于直流光伏并网系统、直流升压控制系统、直流降压控制系统、直流储能系统、大功率直流输送等研究领域。这些研究场合，研究者们不仅要求底层开源，更关键的是，希望变换器能进行升压、降压的单向及双向能量流动，另外也日渐青睐于研究一种功率器件并联以进行容量扩充的结构。
3.而在现有的底层开源变换器中，首先，大都单独地分为了直流升压变换器、直流降压变换器、buck/boost变换器等等功能单一的设备，这对于研究者们进行多项拓扑的研究是不便利的，同时也要占用实验室的很多空间。在安全性和便利性上，少数具有某两种功能集合的开源设备又存在着更换困难、线束杂乱的问题；另外，在某些具备功率双向流动的设备中，由于pwm信号同时开放了上下桥信号，需要用户自己进行死区设置，若果设置不当，会引起功率管炸掉的情况。同时这些问题构成了初学者的应用障碍，对于科研成果的迭代也是极为不利的。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器，克服了现有技术的不足，设计合理，引入电压传感器、电流传感器、pwm信号处理及配置说明来进行控制优化，从而实现一种不仅可以进行boost升压控制、buck降压控制、升压双向变换、降压双向变换、并联扩容结构的功能变换，而且可以进行快速、安全的直流电压变换。
5.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器，包括功率层、传输层、调理层和控制层，所述功率层通过传输层连接调理层，所述调理层的输出端与控制层相连接；所述功率层包括第一接线端子s1、第二接线端子s2、第三接线端子s3、第四接线端子s4、第五接线端子s5、第六接线端子s6、第七接线端子s7、三相两电平igbt半桥功率模块、第一电容c1和第二电容c2，所述第一接线端子s1的1号引脚和2号引脚相连接，所述第二接线端子s2的1号引脚和2号引脚相连接，所述第三接线端子s3的1号引脚、2号引脚和3号引脚均连接在第一电容c1的一端，所述第一电容c1的另一端与第四接线端子s4的1号引脚相连接，所述第四接线端子s4的2号引脚分别与三相两电平igbt半桥功率模块的e极和第六接线端子s6的2号引脚相连接，所述第六接线端子s6的1号引脚连接第二电容c2的一端，所述第
二电容c2的另一端与第五接线端子s5的2号引脚相连接，所述第五接线端子s5的1号引脚分别与三相两电平igbt半桥功率模块的c极和高压侧正极端h ，所述接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚分别连接三相两电平igbt半桥功率模块的ac侧，所述第七接线端子s7的1号引脚和2号引脚相连接，且所述第七接线端子s7的2号引脚连接高压侧负极端h
‑
，所述第一接线端子s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚分别连接低压侧的正极端l 和负极端l
‑
。
6.优选地，所述接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚与三相两电平igbt半桥功率模块的ac侧的连接电路上分别连接有第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3。
7.优选地，所述接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚与三相两电平igbt半桥功率模块的ac侧的连接电路上和第五接线端子s5的1号引脚与高压侧正极端h 的连接电路上均安装有电流传感器，所述第一接线端子s1和第二接线端子s2之间和第七接线端子s7与高压侧正极端h 之间均安装有电压传感器，所述调理层内设置有电流采样模块和电压采样模块，所述电流传感器和电压传感器的输出端分别与电流采样模块和电压采样模块相连接。
8.优选地，每一相两电平igbt半桥功率模块均包括串联的两个igbt半桥功率模块，所述igbt半桥功率模块包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂的基极与死区模块相连接，所述死区模块设置在调理层内。
9.优选地，所述控制层内包括数字量接口和模拟量接口。
10.本发明提供了一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器。具备以下有益效果：通过高屏蔽线缆将功率层与调理层相接，从而可使控制层获取模拟量信号，使得控制层的pwm信号驱动功率层，因而不仅可以进行boost升压控制、buck降压控制、升压双向变换、降压双向变换、并联扩容结构的功能变换，而且可以进行快速、安全的直流电压变换；相较于传统直流电压变换器而言，为用户提供了更为丰富的底层控制实验环境，同时节省了空间；通过将用户进行控制开发所需的电压信号、电流信号及pwm信号均汇集入高屏蔽线缆中，避免了用户进行传感器和功率驱动电路板之间的飞线，清晰简洁的接线使得研究者能更快与理论模型相联系起来。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
12.图1 本发明的结构连接示意图；图2 本发明中实施例一boost结构连接示意图；图3 本发明中实施例二buck结构连接示意图；图4 本发明中实施例三buck/boost结构连接示意图；图5 本发明中实施例四并联boost结构连接示意图；图中标号说明：1、功率层；2、传输层；3、调理层；4、控制层；11、两电平igbt半桥功率模块；12、电流传感器；13、电压传感器；31、电流采样模块；32、电压采样模块；33、死区模块。
具体实施方式
13.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
14.如图1所示，一种新型直流微电网用多拓扑直流电压变换器，包括功率层1、传输层2、调理层3和控制层4，功率层1通过传输层2连接调理层3，调理层3的输出端与控制层4相连接；功率层1包括第一接线端子s1、第二接线端子s2、第三接线端子s3、第四接线端子s4、第五接线端子s5、第六接线端子s6、第七接线端子s7、三相两电平igbt半桥功率模块11、第一电容c1和第二电容c2，第一接线端子s1的1号引脚和2号引脚相连接，第二接线端子s2的1号引脚和2号引脚相连接，第三接线端子s3的1号引脚、2号引脚和3号引脚均连接在第一电容c1的一端，第一电容c1的另一端与第四接线端子s4的1号引脚相连接，第四接线端子s4的2号引脚分别与三相两电平igbt半桥功率模块11的e极和第六接线端子s6的2号引脚相连接，第六接线端子s6的1号引脚连接第二电容c2的一端，第二电容c2的另一端与第五接线端子s5的2号引脚相连接，第五接线端子s5的1号引脚分别与三相两电平igbt半桥功率模块11的c极和高压侧正极端h ，接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚分别连接三相两电平igbt半桥功率模块11的ac侧，第七接线端子s7的1号引脚和2号引脚相连接，且第七接线端子s7的2号引脚连接高压侧负极端h
‑
，第一接线端子s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚分别连接低压侧的正极端l 和负极端l
‑
。其中，低压侧支持直流测电压范围为0
‑
300v,高压侧支持0
‑
650v,高压侧过压保护值为720v，其额定功率(电流)为15kw(50a),该单元的pwm信号开关频率为20khz，其过载能力目前最大支持2.5倍过载（过载时间1秒），电路板使用6层以提升抗干扰能力。通过功率层1提供一个可变拓扑结构。
15.在本技术中，传输层2选用高屏蔽线缆，以增强高精度pwm数字信号和高分辨率传感信号的稳定性与抗扰性，与此同时也避免了线束的杂乱。
16.在本技术中，接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚与三相两电平igbt半桥功率模块11的ac侧的连接电路上分别连接有第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3。
17.在本技术中，接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚与三相两电平igbt半桥功率模块11的ac侧的连接电路上和第五接线端子s5的1号引脚与高压侧正极端h 的连接电路上均安装有电流传感器12，第一接线端子s1和第二接线端子s2之间和第七接线端子s7与高压侧正极端h 之间均安装有电压传感器13，调理层3内设置有电流采样模块31和电压采样模块32，电流传感器12和电压传感器13的输出端分别与电流采样模块31和电压采样模块32相连接。其中电流采样模块31包括1路直流侧电流，1路交流侧电流，采样精度为0.5%，响应时间小于1us，频率100khz电压采样模块32包括l路直流侧电压，1路交流出口电压，1路滤波后电压，电压采样精度为0.3%，响应时间小于40us，频率为100hz；通过调理层3调理出各路电压及电流传感器经由处理输出的电压信号。
18.其中，接线端子s3的4号引脚、5号引脚和6号引脚与三相两电平igbt半桥功率模块11的ac侧的连接电路上的电流信号分别为i
l1
、i
l2
、i
l3
，第五接线端子s5的1号引脚与高压侧正极端h 的连接电路上的电流信号为i
h
，第一接线端子s1和第二接线端子s2之间的电压信号为u
l
，第七接线端子s7与高压侧正极端h 之间的电压信号为u
h
。
19.在本技术中，每一相两电平igbt半桥功率模块11均包括串联的两个igbt半桥功率
模块，igbt半桥功率模块包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂的基极与死区模块33相连接，死区模块33设置在调理层3内。通过添加死区模块33用于保护驱动层的功率模块不会出现炸机的情况，三相两电平igbt半桥功率模块对应的死区模块33分别输出为pwm1信号、pwm2信号和pwm3信号，并通过控制层4进行调节。
20.在本技术中，控制层4内包括数字量接口和模拟量接口。其中模拟量接口均为5v、20ma的差分信号，数字量接口为5v/20ma的pwm接口输入。
21.实施例一关于boost的单向及双向控制，通过连接第一接线端子s1的2号引脚和第三接线端子s3的4号引脚、第二接线端子s2的2号引脚和第四接线端子s4的2号引脚、第五接线端子s5的1号引脚和2号引脚，构成如图2所示的boost结构连接示意图，用户在功率层1将低压侧单向或双向电源的正负两端分别接入第一接线端子s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚，将高压侧的负载或电源的正负两端分别接入h 和h
‑
；在控制层4，用户通过采集i
l1
和u
h
信号，可通过pwm1来进行调节，用户可进行输入电压突变的输出侧电压闭环控制；通过接入第三接线端子s3的1号引脚和4号引脚、第四接线端子s4的1号引脚和2号引脚，可在输入侧接入第一电容c1来进行输入电压滤波；与此同时，可进行直流光伏并网的mppt控制。
22.实施例二关于buck的单向及双向控制，通过连接第一接线端子s1的2号引脚和第三接线端子s3的4号引脚、第三接线端子s3的1号引脚和4号引脚、第二接线端子s2的2号引脚和第四接线端子s4的1号引脚、第六接线端子s6的1号引脚和2号引脚，可构成如图3所示的buck结构连接示意图，用户在功率层1将低压侧的负载或电源的正负两端分别接入第一接线端子s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚，将高压侧的单向或双向电源的正负两端分别接入h 和h
‑
；在控制层4用户通过采集i
h
和u
l
信号，可通过pwm1来进行调节，用户可进行输入电压突变的输出侧电压闭环控制；通过接入第五接线端子s5的1号引脚和2号引脚，可在输入侧接入电容来进行输入电压滤波。
23.实施例三关于buck/boost的单向及双向控制，通过连接第一接线端子s1的2号引脚和第三接线端子s3的1号引脚、第三接线端子s3的1号引脚和4号引脚、第三接线端子s3的4号引脚和第七接线端子s7的1号引脚，可构成如图4所示的buck结构连接示意图，用户在功率层1将低压侧的负载或电源的正负两端分别接入第一接线端子s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚，将高压侧的单向或双向电源的正负两端分别接入h 和h
‑
；在控制层4，用户通过采集i
h
和u
l
信号，可通过pwm1来进行调节，用户可进行输入电压突变的输出侧电压闭环控制；通过接入第五接线端子s5的1号引脚和2号引脚、第六接线端子s6的1号引脚和第七接线端子s7的1号引脚，可在输入侧接入电容来进行输入电压滤波。
24.实施例四关于并联boost的单向及双向控制，通过连接第一接线端子s1的2号引脚和第三接线端子s3的4号引脚、第三接线端子s3的4号引脚和5号引脚、第三接线端子s3的5号引脚和6号引脚、第五接线端子s5的1号引脚和2号引脚、第六接线端子s6的1号引脚和2号引脚、第六接线端子s6的2号引脚和第七接线端子s7的1号引脚，可构成如图5所示的并联boost结构连接示意图，用户在功率层1将低压侧的单向或双向电源的正负两端分别接入第一接线端子
s1的1号引脚和第二接线端子s2的1号引脚，将高压侧的负载或电源的正负两端分别接入h 和h
‑
；在控制层4，用户通过采集i
l1
、i
l2
、i
l3
和u
h
信号，可通过pwm1、pwm2和pwm3来进行调节，用户可进行输入电压突变的输出侧电压闭环控制；通过接入第四接线端子s4的1号引脚和2号引脚、第三接线端子s3的1号引脚和4号引脚（或第三接线端子s3的2号引脚和5号引脚或第三接线端子s3的3号引脚和6号引脚），可在输入侧接入电容来进行输入电压滤波.如上述实施例一至实施例四选择完成功率层1的配置和控制层4的变量选择后，通过传输层2的高屏蔽线缆将功率层1与调理层3相接，从而可使控制层4获取模拟量信号，使得控制层4的pwm信号驱动功率层1，因而可以实现一种不仅可以进行boost升压控制、buck降压控制、升压双向变换、降压双向变换、并联扩容结构的功能变换，而且可以进行快速、安全的直流电压变换。
25.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。