[发明专利]一种混合功率模块型直流变压器

说明书

一种混合功率模块型直流变压器，包括第一类功率模块基于SiC MOSFET开关器件的移相型双有源桥变换器和第二类功率模块基于Si IGBT开关器件的串联谐振型双有源桥变换器。在连续控制周期内，第一类功率模块采用电压闭环和移相控制方式，第二类功率模块采用开环的占空比为50％方波的电压输出控制方式。与传统基于Si‑IGBT开关器件的移相型双有源桥变换器功率模块的直流变压器器电路拓扑相比，本发明可有效提高系统电能传输效率。

技术领域

本发明涉及一种混合功率模块型直流变压器。

背景技术

目前，现有配电网中均采用交流形式进行电能传输。近年来，如计算机、手机、平板电脑等消费类电子产品、LED、数据中心和电动汽车等直流负荷和光伏、风能和太阳能等分布式可再生能源在配电系统中所占比例越来越重，通过构建直流配电网可以直接实现可再生能源与直流负荷之间的能量交互，从而节省大量电能变换环节，减小成本、降低损耗，提高电能传输效率。另外，与传统交流配电网相比，直流配电网具有供电容量更大、供电半径更长、电能质量问题不突出，不存在无功补偿问题等优势。

直流变压器是未来直流配电网的重要组成部分。与传统交流电力变压器相比，直流变压器一般可通过采用电力电子换流器和高频(相对工频而言)隔离变压器构成，通过控制电力电子换流器和高频变压器可以实现不同直流电压等级之间的能量变换与电气隔离。此外，直流变压器还具备装置自动保护、故障隔离和直流端口能量双向流动等功能。

面向中压20kV等级配电应用的直流电力电子变压器，受功率半导体耐压水平限制，一般可由多个功率模块构成，每个功率模块采用双有源桥变换器，且各模块按照高压侧级联低压侧并联方式进行连接。通常双有源桥变换器可分为移相型和串联谐振型，在额定运行时，移相型双有源桥变换器通过采用电压闭环+移相控制来实现功率传输，且所有开关均工作在零电压开通状态，无法实现零电流关断，而串联谐振型双有源桥变换器通过开环控制方式来实现能量自然流动，且变换器中开关器件均在电流为零时，开关状态发生改变。与移相型双有源桥变换器相比，串联谐振型双有源桥变换器可实现所有开关器件工作在零电流开关状态，减少了器件开关损耗，控制方式相对简单，但是，由于输出侧电压不可控，导致电压随负载在发生变化。因此，为保证系统可靠运行，一般移相型双有源桥变换器在实际应用较为广泛。另外，为提高系统电能传输效率，该类变换器可采用SiC型MOSFET器件来降低系统开关损耗，然而，与传统Si型IGBT器件相比，该器件造价相对较高，大幅增加了系统的运行成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺点，提出一种混合功率模块型直流变压器。本发明的直流变压器中，一部分模块采用基于SiC型MOSFET器件的移相型双有源桥变换器，另一部分模块采用基于Si型IGBT器件的串联谐振型双有源桥变换器，在系统运行成本允许的范围内，可进一步提高电能传输效率。同时控制方式相对简单，所有模块输出电压控制相对灵活。

所述的混合功率模块型直流变压器内部包含两类功率模块，两类功率模块在第一直流端口处采用级联方式连接，在第二直流端口处采用并联方式连接。

第一类功率模块由N个移相型双有源桥变换器构成，N的取值范围为10～15。每个移相型双有源桥变换器高压侧储能电容C_H1的正极端子a连接至相邻移相型双有源桥变换器移相型双有源桥变换器C_H1的负极端子b，每个移相型双有源桥变换器移相型双有源桥变换器高压侧储能电容C_H1的负极端子b连接至相邻移相型双有源桥变换器移相型双有源桥变换器高压侧储能电容C_H1的正极端子a，每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容C_L1的正极端子m均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容C_L1的正极端子m，每个移相型双有源桥变换器低压侧储能电容C_L1的负极端子n均连接至相邻移相型双有源桥变换器低压侧储能电容C_L1的负极端子n。