一种辅助变流电路以及辅助变流器的制作方法

1.本发明涉及电子电力技术领域，尤其是一种辅助变流电路以及辅助变流器。


背景技术：

2.现阶段，车载电源技术朝着智能化、高频化，模块化、小型化的方向发展。辅助变流器作为地铁、高铁、动车等轨道车辆的核心设备之一，为列车照明、空调、整车控制系统等提供电能。目前行业内普遍使用的工频技术能实现功能，但是产品体积巨大，带来重量大、损耗高的问题；部分厂商使用了中频技术，但需要使用专用器件，且开关频率低，主电路复杂等问题，限制了中高频技术的大范围应用，目前推广程度不高。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种辅助变流电路以及辅助变流器。
4.一方面，本发明实施例中包括一种辅助变流电路，包括：输入级电路、串联谐振变换器、整流模块以及三相逆变模块；
5.所述输入级电路包括第一三电平boost电路(1)和第二三电平boost电路(2)，第一三电平boost电路(1)与第二三电平boost电路(2)串联，从第一三电平boost电路(1)引出第一直流母线，从第二三电平boost电路(2)引出第二直流母线；
6.所述串联谐振变换器包括第一半桥开关电路(3)、第二半桥开关电路(4)、第一高频变压器(9)、第二高频变压器(10)、第三高频变压器(11)、第四高频变压器(12)、第一桥式电路(13)、第二桥式电路(14)、第三桥式电路(15)和第四桥式电路(16)，第一半桥开关电路(3)的一端与第一直流母线连接，第一半桥开关电路(3)的另一端、第一高频变压器(9)的一端和第二高频变压器(10)的一端连接，第二半桥开关电路(4)的一端与第二直流母线连接，第二半桥开关电路(4)的另一端、第三高频变压器(11)的一端与和第四高频变压器(12)的一端连接，第一高频变压器(9)的另一端与第一桥式电路(13)的输入端连接，第二高频变压器(10)的另一端与第二桥式电路(14)的输入端连接，第三高频变压器(11)的另一端与第三桥式电路(15)的输入端连接，第四高频变压器(12)的另一端与第四桥式电路(16)的输入端连接；
7.所述整流模块包括dc/dc变换器(18)，所述dc/dc变换器的输入端(18)、第二桥式电路(14)的输出端和第四桥式电路(16)的输出端连接；
8.所述三相逆变模块包括三相逆变器(19)，所述三相逆变器(19)的输入端、第一桥式电路(13)的输出端和第三桥式电路(15)的输出端连接。
9.进一步地，所述第一三电平boost变换器(1)包括第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容，第一开关管的第一端作为输入级电路的第一输入端，第一开关管的第二端、第二开关管的第一端、第一电容的第二端和第二电容的第一端连接；
10.所述第二三电平boost变换器(2)包括第三开关管、第四开关管、第三电容、第四电
容，第四开关管的第二端作为输入级电路的第二输入端，第三开关管的第一端与第二开关管的第二端连接，第三开关管的第二端、第四开关管的第一端、第三电容的第二端和第四电容的第一端连接；
11.第一电容的第一端作为输入级电路的第一输出端，第二电容的第二端作为输入级电路的第二输出端，第三电容的第一端作为输入级电路的第三输入端，第四电容的第二端作为输入级电路的第四输入端。
12.进一步地，所述串联谐振变换器还包括：
13.第一谐振电容(5)、第二谐振电容(6)、第三谐振电容(7)和第四谐振电容(8)；
14.第一谐振电容(5)位于第一半桥开关电路(3)与第一高频变压器(9)之间；
15.第二谐振电容(6)位于第一半桥开关电路(3)与第二高频变压器(10)之间；
16.第三谐振电容(7)位于第二半桥开关电路(4)与第三高频变压器(11)之间；
17.第四谐振电容(8)位于第二半桥开关电路(4)与第四高频变压器(12)之间。
18.进一步地，所述第一谐振电容(5)与第三谐振电容(7)的参数一致，第一高频变压器(9)与第三高频变压器(11)的参数一致，第二谐振电容(6)与第四谐振电容(8)的参数一致，第二高频变压器(10)与第四高频变压器(12)的参数一致；第一半桥开关电路(3)、第一谐振电容(5)和第一高频变压器(9)构成的谐振电路的谐振频率与第二半桥开关电路(4)、第三谐振电容(7)和第三高频变压器(11)构成的谐振电路的谐振频率一致；第一半桥开关电路(3)、第二谐振电容(6)和第二高频变压器(10)构成的谐振电路的谐振频率与第二半桥开关电路(4)、第四谐振电容(8)和第四高频变压器(12)构成的谐振电路的谐振频率一致。
19.进一步地，所述整流模块还包括：
20.接触器(20)、第一二极管(17)和第二二极管(21)；
21.接触器(20)的第一端、第二桥式电路(14)的第一输出端、第四桥式电路(16)的第一输出端和第一二极管(17)的第一端连接；
22.接触器(20)的第二端、第一二极管(17)的第二端和第二二极管(21)的第一端连接；
23.第二二极管(21)的第二端和dc/dc变换器(18)的第一输出端连接。
24.进一步地，所述三相逆系统还包括：
25.并机电感(22)和lc滤波器(23)；
26.所述lc滤波器(23)的一端连接三相逆变器(19)，所述lc滤波器(23)的另一端与并机电感(22)连接。
27.进一步地，所述三相逆变器(19)为t型三电平结构的逆变器或者二电平结构、三相四桥臂的逆变器。
28.进一步地，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，使用coolmos、vdmos、igbt、sic半导体器件。
29.另一方面，本发明实施例中还包括一种辅助变流器，包括：
30.实施例中的辅助变流电路和控制模块，所述控制模块用于控制正常模式和紧急模式下辅助变流电路的运行。
31.进一步地，所述控制模块用于控制正常模式和紧急模式下辅助变流电路的运行包括：
32.正常模式下，控制输入级电路、串联谐振变换器、整流模块以及三相逆变模块正常工作，控制电流从输入级电路输入，整流模块和三相逆变模块输出变流后的电流；
33.紧急模式下，控制输入级电路、第一半桥开关电路(3)和第二半桥开关电路(4)处于待机状态，控制电流从整流模块输入，三相逆变模块输出变流电流。
34.本发明的有益效果是：在选用常规器件来降低成本的同时，通过采用两组三电平boost变换器进行串联使用，使得高压电流从两个端口进入电路中，经过boost变换得到两组稳定的直流母线，并分别对两组直流母线进行处理，可以使用整流模块得到稳定的直流电压，也可以使用三相逆变模块输出三相交流电，大大降低单组开关管的电压应力，可以应用到中高频技术中高压电流且电压变换较大的场合，使产品能实现重量大幅度降低、体积减小、提高效率的效果。
附图说明
35.图1为实施例中辅助变流电路的示意图；
36.图2为实施例中输入级电路的示意图；
37.图3为实施例中串联谐振变换器的示意图；
38.图4为实施例中正常模式下整流模块的示意图；
39.图5为实施例中紧急模式下整流模块的示意图；
40.图6为三相逆变模块的示意图。
41.附图标记说明：
42.1-第一三电平boost电路；
43.2-第二三电平boost电路；
44.3-第一半桥开关电路；
45.4-第二半桥开关电路；
46.5-第一谐振电容；
47.6-第二谐振电容；
48.7-第三谐振电容；
49.8-第四谐振电容；
50.9-第一高频变压器；
51.10-第二高频变压器；
52.11-第三高频变压器；
53.12-第四高频变压器；
54.13-第一桥式电路；
55.14-第二桥式电路；
56.15-第三桥式电路；
57.16-第四桥式电路；
58.17-第一二极管；
59.18-dc/dc变换器；
60.19-三相逆变器；
61.20-接触器；
62.21-第二二极管；
63.22-并机电感；
64.23-lc滤波器。
具体实施方式
65.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
66.图1为本发明提供的辅助变流电路的示意图，如图1所示，本实施例提供一种辅助变流电路，包括：输入级电路、串联谐振变换器、整流模块以及三相逆变模块。
67.该电路正常模式下，电流从输入级电路输入，输入级电路采用第一三电平boost电路1和第二三电平boost电路2串联，从第一三电平boost电路1引出第一直流母线，从第二三电平boost电路2引出第二直流母线，第一直流母线连接第一半桥开关电路3，第二直流母线连接第二半桥开关电路4，两组开关独立运行，第一半桥开关电路3的输出端连接两组并联的第一高频变压器9的原边和第二高频变压器10的原边，第二半桥开关电路4的输出端连接两组并联的第三高频变压器11的原边和第四高频变压器12的原边，第二高频变压器10和第四高频变压器12的参数一致主要，为后级整流模块提供能量，第一高频变压器9和第三高频变压器11参数一致，为后级三相逆变模块提供能量。通过变压器隔离后，第一高频变压器9的副边连接第一桥式电路13，第二高频变压器10的副边连接第二桥式电路14，第三高频变压器11的副边连接第三桥式电路15，第四高频变压器12的副边连接第四桥式电路16。电流经过第二高频变压器10和第四高频变压器12的副边整流后一路通过第一二极管17直接输出直流电压，另一路通过dc/dc变换器后18输出。电流经过第一高频变压器9和第三高频变压器11的副边整流后为三相逆变器19提供能量，三相逆变器19输出三相交流电。
68.该电路中第二桥式电路14和第四桥式电路16可根据实际需要选择为双向能量流动，紧急模式下，接触器20闭合，电源由整流模块输入，电流通过第二二极管21和接触器20后，进入第二桥式电路14和第四桥式电路16，第二桥式电路14和第四桥式电路16将直流电变为交流电后，将能量通过第二高频变压器10和第四高频变压器12的副边，传到第一高频变压器9和第三高频变压器11的原边，第一高频变压器9和第三高频变压器11的能量再次传到自身副边，为三相逆变器19提供母线电压，三相逆变器19输出交流电。
69.需要说明的是，为了方便理解，本实施例采用了通过电流流经辅助变流电路的方式来解释和说明整个电路，但并不需要电流真正的流经该电路，只是为了清楚从而进行模拟演示。而电路中各个部分的划分也是为了方便说明，其实并没有相对独立的关系，可以对该电路中的器件进行组合，完成本发明想要解决的问题和辅助变流电路最终得到效果。电路中的一些器件也是为了优化电路，可以适当增加或较少相关器件。
70.结合图2所示输入级电路的示意图，输入级电路采用第一三电平boost电路1和第二三电平boost电路2串联，从第一三电平boost电路1引出第一直流母线，从第二三电平boost电路2引出第二直流母线，第一三电平boost电路1和第二三电平boost电路2进行串联使用，大大降低了单组开关管的电压应力，适用于如轨道车辆1500v输入且输入电压变化较
大的场景，本电路中v1、v2、v3、v4四组开关管交替工作，通过升感电压不断为电容c1、c2、c3、c4交替充电，从而得到两组可控的带中点的直流母线，其中在开关管和电容之间增加二极管可以保证电流的流向，优化电路结构，也可以使用其他电路元件替代，输入级电路的作用就是为了将可能输入的高压电流转换为可控的直流母线，可以使用其他具有此功能的电流结构替代，并且对电路结构中具体的元件数量并不做明确要求，可以适当增加或减少相应的组件，一般来说具有与输入级电路功能相似的现有技术的电路，都在本发明的保护范围之内。
71.结合图3所示串联谐振变换器的示意图，串联谐振变换器包括第一半桥开关电路3、第二半桥开关电路4、第一高频变压器9、第二高频变压器10、第三高频变压器11、第四高频变压器12、第一桥式电路13、第二桥式电路14、第三桥式电路15和第四桥式电路16，第一半桥开关电路3的一端与第一直流母线连接，第一半桥开关电路3的另一端、第一高频变压器9的一端和第二高频变压器10的一端连接，第二半桥开关电路4的一端与第二直流母线连接，第二半桥开关电路4的另一端、第三高频变压器11的一端与和第四高频变压器12的一端连接，第一高频变压器9的另一端与第一桥式电路13的输入端连接，第二高频变压器10的另一端与第二桥式电路14的输入端连接，第三高频变压器11的另一端与第三桥式电路15的输入端连接，第四高频变压器12的另一端与第四桥式电路16的输入端连接。第一谐振电容5位于第一半桥开关电路3与第一高频变压器9之间；第二谐振电容6位于第一半桥开关电路3与第二高频变压器10之间；第三谐振电容7位于第二半桥开关电路4与第三高频变压器11之间；第四谐振电容8位于第二半桥开关电路4与第四高频变压器12之间。第一半桥开关电路3和第二半桥开关电路4是由两组半桥开关管组成的。
72.其中，高频变压器预先设置好相应的漏感参数与谐振电容以及半桥开关管一起组成串联谐振电路实现软开关。第一谐振电容5与第三谐振电容7的参数一致，第一高频变压器9与第三高频变压器11的参数一致，第二谐振电容6与第四谐振电容8的参数一致，第二高频变压器10与第四高频变压器12的参数一致；第一半桥开关电路3、第一谐振电容5和第一高频变压器9构成的谐振电路的谐振频率与第二半桥开关电路4、第三谐振电容7和第三高频变压器11构成的谐振电路的谐振频率一致；第一半桥开关电路3、第二谐振电容6和第二高频变压器10构成的谐振电路的谐振频率与第二半桥开关电路4、第四谐振电容8和第四高频变压器12构成的谐振电路的谐振频率一致。
73.结合图4所示正常模式下整流模块的示意图中，系统能量来源与输入级电路，第二高频变压器10和第四高频变压器12的能量由原边传向副边，副边经过第二桥式电路14和第四桥式电路16整流后得到稳定的母线电压，其中一路直接经过接触器20输出，为具体场景下的负载提供电压；另一路经过dc/dc变换器18输出，为蓄电池进行充电，增加dc/dc变换器18的目的是为了输出电压可调，满足需电磁充电温补曲线的要求。第二桥式电路14和第四桥式电路16中的二极管在正常模式下的作用等同于不可控的二极管，此时并不需要对这些二极管做出控制，且并不对二极管的数量和连接方式做出特别的限定，该第二桥式电路14和第四桥式电路16的作用只是为了对输入对应桥式电路的能量进行整流，该整流的目的也是为了优化电路结构，其他具有该整流作用的电路结构也在本发明的保护范围之内。其中蓄电池和输出电压之后的流向并不在该辅助变流电路中，这里只是为了更好的说明辅助变流电路的效果。
74.结合图5所示紧急模式下整流模块的示意图中，当需要该功能时，图4所示电路中的二极管可换为可控器件，正常模式下依旧可以通过控制可控器件的反并联二极管形成桥式整流电路，与之前原理相同。
75.在需要进行紧急模式时，输入级电路没有能量输入，第一三电平boost电路1、第二三电平boost电路2以及串联谐振变换器的部分电路处于待机状态，由于整流电路连接的为蓄电池，这里的蓄电池指的是一种辅助变流电路的连接情况，用于方便说明。在该状态下，蓄电池连接x12端，蓄电池放电，电压通过第二二极管21到达直流输出母线x11,此时触发器20发出闭合指令，接触器20闭合等效于短路第一二极管17，使得母线电压通过接触器20到达第二桥式电路14和第四桥式电路16两端，同时，由于第二桥式电路14和第四桥式电路16中的二极管已经换为可控器件，通过控制可控器件的开关使得直流电变为交流电，能量从第二高频变压器10和第四高频变压器12的副边传向原边。
76.由于第一高频变压器9与第二高频变压器10并联，第三高频变压器11与第四高频变压器12并联，所以第一高频变压器9的原边与第三高频变压器11的原边也会产生交流电压，由于变压器变比固定，根据变压器特性，此时第一高频变压器9副边和第三高频变压器11的副边也产生相应的交流电压，第一高频变压器9产生的电压经过第一桥式电路13传向三相逆变模块，第三高频变压器11产生的电压经过第三桥式电路15传向三相逆变模块，通过第一桥式电路13和第三桥式电路15整流后的电路为三相逆变模块的三相逆变器19提供能量，三相逆变器19发波工作后，三相逆变模块输出三相交流电。
77.结合图6三相逆变模块的示意图，第一高频变压器9与第三高频变压器11的副边经过第一桥式电路13和第三桥式电路15整流后得到三相逆变模块的直流母线电压，直流母线电压取中点，通过t型三电平结构或二电平结构、三相四桥臂的三相逆变器19将直流电变为交流电输出，通过lc滤波器23后得到准正弦波，图中lc滤波器23的电容为y
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组合连接，在交流输出需要并网的使用场合，逆变器输出还需要增加并机电感22用来抑制环流。
78.需要说明的是在上述实施例中使用的开关管可以采用coolmos、vdmos、igbt、sic半导体器件，单组串联谐振桥能量进入不少于两组谐振腔。
79.本发明还提供一种辅助变流器，所述辅助变流器包括上述实施例中的辅助变流电路和控制模块，所述控制模块用于控制正常模式和紧急模式下辅助变流电路的运行。该辅助变流器可以应用在城市轨道车辆中，也可以用在高铁、动车车辆系统中，降低了产品重量，减小了体积，提高了效率。
80.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围。