[发明专利]一种多电平均压谐振零电流软开关DC-DC变换器

说明书

本发明涉及一种多电平均压谐振零电流软开关DC‑DC变换器，由直流均压电容组和连接到所述直流均压电容组中电容上的二端口DC‑DC谐振软开关变换单元构成。对于电平数为m+1的所述变换器(m为≥2的整数，下同)，直流均压电容组由m个直流均压电容(Cm，Cm‑1，……，C2，C1)自上而下依次串联组成，且直流均压电容组中各电容(Cm，Cm‑1，……，C2，C1)的电位自上而下依次降低。直流均压电容组中各电容上连接有至少m‑1个二端口DC‑DC谐振软开关变换单元。本发明实现了电容电压自平衡、所有开关管和二极管都实现零电流开关，而且各二端口DC‑DC谐振软开关变换单元工作互不影响、相互独立，整个变换器系统具有结构模块化、控制方式简单的特点。

技术领域

本发明涉及多电平直流变换技术领域，具体说是一种多电平均压谐振零电流软开关DC-DC变换器。用于实现直流电压变换。

背景技术

如同交流变压器在交流输配电系统和一些交流电压变换的应用场合不可或缺一样，直流输配电系统和一些直流电压变换的应用场合也需要专门实现直流电压等级变换的直流变换器。

在直流输配电系统中，直流变换器主要用于直流输配电网与负载或上级电网的接口，并实现直流输配电网内部电压等级的转换。由于直流输配电网的电压等级较高，功率也较大，对于适合于直流输配电网等中高压大功率场合的直流变换器，高电压大功率是其设计难点之一。目前，研究比较集中的解决方案主要有功率器件串联承压、多模块串并联组合变换器、传统多电平直流变换器和模块化多电平直流变换器(DC-MMC)等。

在功率器件串联承压方案中，功率器件之间的均压技术是关键所在，在实际应用中，由于功率器件参数的离散性，所有串联功率器件不能完全同步动作，串联功率器件之间会产生静态和动态不均匀的问题，将导致某个功率器件过电压，从而影响直流变换器的工作效率和使用寿命。为解决好器件串联的动作同步，器件的动、静态均压电路和驱动脉冲的一致性要求不仅大大降低了系统的可靠性和器件的电压利用率，也增加了系统的损耗和复杂性。

在多模块串并联组合变换器方案中，通过将多个直流变换器模块的输入和输出进行相互串联或并联来分担负载功率，从而降低功率器件的电压和电流应力。该技术现已较为成熟，但实际应用中应仍存在很多问题。如：为使串联端口均压，并联端口均流，需采用复杂的均压和均流控制策略；一般变换器由多个包含隔离变压器的DC-DC子模块进行串并联组合而成，且控制电路和驱动电路较多，因此变换器的体积、重量都较大。

在传统多电平直流变换器方案中，直流变换器从基本的二极管箝位型多电平、飞跨电容型多电平和通用型多电平得来。当二极管箝位型多电平应用在直流变换领域时，其冗余的开关状态将会减少，以至于会出现因无足够的冗余开关状态来维持电容电压平衡的状况出现。而飞跨电容型多电平直流变换器和通用型多电平直流变换器，随着电平数的增多，所需的电容和二极管的数量将急剧增多，并且随着电平数增加，各个电容电压也不容易平衡，使得它们在实际应用中受到很大的限制。

在模块化多电平直流变换器(DC-MMC)方案中，目前常采用的是通过变压器将两个dc/ac模块化多电平变换器(MMC)相互连接的背靠背结构，需使用变压器，变换环节较多，因此相对来讲体积大，成本高。对于没有变压器的模块化多电平直流变换器(DC-MMC)变换器，有些拓扑电路的输出电流仅是N个串联MMC单元交换电流的1/N。且不管哪种模块化多电平直流变换器(DC-MMC)，单级MMC中单元电容处于悬浮状态，在实际运行过程中，由于单元的损耗不同，驱动信号不理想有延时等因素，使得单元电容电压在不被专门控制的情况下出现不平衡问题。

发明内容