三端口双向多相交直流变换器制造技术

本发明专利技术公开了三端口双向多相交直流变换器，属于电力电子技术领域。所述三端口双向多相交直流变换器由两个独立的直流输入源、多个双向开关单元和一个交流负载构成，其中每个双向开关单元都由一个正单元和一个负单元并联构成，所述正单元和负单元都分别由两个开关管、两个二极管和一个电感构成，本发明专利技术能够实现两个独立的直流输入源与交流负载或者交流电网之间的双向交直流功率变换，同时实现了多相逆变器和多相整流器的功能，具有功率密度高、效率高、体积成本低的优势，本发明专利技术三端口双向多相交直流变换器消除了开关桥臂直通的潜在危险、具有高可靠性，本发明专利技术特别适用于航空航天、电动汽车、储能等高效高可靠大功率直交流功率变换等应用场合。

【技术实现步骤摘要】
三端口双向多相交直流变换器
本专利技术涉及电力电子领域，特别是直流-交流电能变换

技术介绍
交直流变换器是将交流负载或交流大电网与各类直流电源或直流负载有效衔接的关键设备。按照功率的流向来分，交直流变换器可以分为逆变器、整流器和双向交直流变换器三类，其中双向交直流变换器同时整合了逆变器和整流器的功能，在新能源并网发电、微电网、大功率电机驱动、智能电网、各类航空航天电力系统、不间断电源供电等国民经济的各个领域具有非常广泛的应用。传统的双向交直流变换器只能提供一个直流输入端口和一个交流输出端口，即只能实现一个直流输入源和一个交流负载或交流电网之间的能量交互。然而，在新能源发电、不间断供电系统、混合储能等应用场合中，通常需要实现多个直流输入源与交流负载或者交流电网之间的能量交互。例如，混合储能系统中，需要同时将蓄电池、超级电容等储能装置与交流母线相连。传统解决方案通常需要用多个独立的直流变换器分别于各个直流输入源相连，再将各直流变换器的输出并联形成公共直流母线并作为双向交直流变换器的输入。不仅导致系统中变换器数量多、成本高，而且电能都要经过两级变换、降低了效率。类似的问题在单直流输入的双向交直流变换系统中也存在。对于双向交直流变换器，其直流侧的电压通常要大于交流侧电压的峰值才能保证系统正常工作。当直流输入源的电压较低时，就必须在直流输入源和交直流变换器之间额外引入升压电路，增加了系统的成本和功率损耗、降低了效率。为了解决上述问题，国内外研究工作者尝试探索能够连接多个直流输入源的逆变器或者整流器解决方案。例如，文献“YanZhou，LimingLiu，andHuiLi.AHigh-PerformancePhotovoltaicModule-IntegratedConverter(MIC)BasedonCascadedQuasi-Z-SourceInverters(qZSI)UsingeGaNFETs[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2013，28(6)：2727-2738.”提出了基于多个准Z源逆变器串联连接的多输入逆变器解决方案，文献“DongsenSun，BaomingGe，WeihuaLiang，HaithamAbu-Rub，andFangZhengPeng.AnEnergyStoredQuasi-Z-SourceCascadeMultilevelInverter-BasedPhotovoltaicPowerGenerationSystem[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2015，62(9)：5458-5467.”则进一步将串联准Z源逆变器的方案用于分布式光伏和负载的接入。上述解决方案需要采用大量的开关器件和无源器件，且其都是针对逆变器的解决方案，并不能用于同时实现多个直流源接入的双向交直流电能变换应用中。除了多个直流源同时接入的问题外，双向交直流变换器需要解决的另一问题是与开关桥臂直通相关的可靠性问题。传统双向交直流变换器的开关桥臂由有源开关串联构成，当同一开关桥臂中的开关管由于干扰、误触发等原因同时开通时，将会导致直流侧短路、装置失效。虽然引入死区时间控制能够在一定程度上解决该问题，但死区时间的引入会影响交流侧电压或电流波形的控制效果。此外，传统双向交直流变换器要利用开关管的体二极管进行续流，而无论是金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)还是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其体二极管的开关特性都远不及独立的二极管，功率开关管自身体二极管较差的导通和开关特性也在很大程度上影响了双向交直流变换器的电能变换效率。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种三端口双向多相交直流变换器，用于解决传统双向交直流变换器所存在的无法直接连接低压直流源、不能同时连接多个直流输入源、无法从根本上消除开关桥臂直通问题以及无法避免利用开关管的寄生体二极管进行续流而导致的变换效率降低等一系列问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下。所述三端口双向多相交直流变换器由低压直流输入源(VL)、高压直流输入源(VH)、交流负载和N个双向开关单元构成，所述交流负载对外连接端子的数量也为N，N为大于1的整数。所述N个双向开关单元中的任意第k个双向开关单元包括低压直流输入端(VLk)、高压直流输入端(VHk)、直流负端(Vk-)和交流输出端(vok)。所述N个双向开关单元中的任意第k个双向开关单元由正单元和负单元并联构成。所述N个双向开关单元的低压直流输入端全部并联连接并连于低压直流输入源(VL)的正端。所述N个双向开关单元的高压直流输入端全部并联连接并连于高压直流输入源(VH)的正端。所述N个双向开关单元的直流负端全部并联连接并连于低压直流输入源(VL)的负端和高压直流输入源(VH)的负端。所述N个双向开关单元的交流输出端分别与交流负载相连，当N等于2时，所述交流负载为单相交流负载，当N等于3时，所述交流负载为三相交流负载，当N大于3时，所述交流负载为N相交流负载。所述低压直流输入源(VL)的电压小于等于高压直流输入源(VH)的电压。所述三端口双向多相交直流变换器中任意第k个双向开关单元中的正单元由第一正开关管(SPk1)、第二正开关管(SPk2)、第一正二极管(DPk1)、第二正二极管(DPk2)和正电感(LPk)构成，其中第一正开关管(SPk1)、第二正开关管(SPk2)、第一正二极管(DPk1)、第二正二极管(DPk2)和正电感(LPk)的连接方式为以下三种方式中的任意一种：正单元第一种连接方式：第一正开关管(SPk1)的漏极连于第k个双向开关单元的高压直流输入端(VHk)，第一正开关管(SPk1)的源极连于第一正二极管(DPk1)的阴极和第二正开关管(SPk2)的漏极，第一正二极管(DPk1)的阳极连于第k个双向开关单元的低压直流输入端(VLk)，第二正开关管(SPk2)的源极连于第二正二极管(DPk2)的阴极和正电感(LPk)的一端，第二正二极管(DPk2)的阳极连于第k个双向开关单元的直流负端(Vk-)，正电感(LPk)的另一端连于第k个双向开关单元的交流输出端(vok)。正单元第二种连接方式：第一正开关管(SPk1)的漏极连于第k个双向开关单元的高压直流输入端(VHk)，第一正开关管(SPk1)的源极连于第二正开关管(SPk2)的源极、正电感(LPk)的一端和第二正二极管(DPk2)的阴极，第二正开关管(SPk2)的漏极连于第一正二极管(DPk1)的阴极，第一正二极管(DPk1)的阳极连于第k个双向开关单元的低压直流输入端(VLk)，第二正二极管(DPk2)的阳极连于第k个双向开关单元的直流负端(Vk-)，正电感(LPk)的另一端连于第k个双向开关单元的交流输出端(vok)。正单元第三种连接方式：第一正开关管(SPk1)的漏极连于第k个双向开关单元的高压直流输入端(VHK)，第一正开关管(SPk1)的源极连于正电感(LPk)的一端和第一正二极管(DPk1)的阴极，第一正二极管(DPk1)的阳极连于第二正二极管(DPk2)的阴极和第二正开关管(SPk2)的源极，第二正开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三端口双向多相交直流变换器，其特征在于：所述三端口双向多相交直流变换器由低压直流输入源(V

【技术特征摘要】
1.一种三端口双向多相交直流变换器，其特征在于：所述三端口双向多相交直流变换器由低压直流输入源(VL)、高压直流输入源(VH)、交流负载和N个双向开关单元构成，所述交流负载对外连接端子的数量也为N，N为大于1的整数；所述N个双向开关单元中的任意第k个双向开关单元包括低压直流输入端(VLk)、高压直流输入端(VHk)、直流负端(Vk-)和交流输出端(vok)；所述N个双向开关单元中的任意第k个双向开关单元由正单元和负单元并联构成；所述N个双向开关单元的低压直流输入端全部并联连接并连于低压直流输入源(VL)的正端；所述N个双向开关单元的高压直流输入端全部并联连接并连于高压直流输入源(VH)的正端；所述N个双向开关单元的直流负端全部并联连接并连于低压直流输入源(VL)的负端和高压直流输入源(VH)的负端；所述N个双向开关单元的交流输出端分别与交流负载相连，当N等于2时，所述交流负载为单相交流负载，当N等于3时，所述交流负载为三相交流负载，当N大于3时，所述交流负载为N相交流负载；所述低压直流输入源(VL)的电压小于等于高压直流输入源(VH)的电压。2.一种基于权利要求1的三端口双向多相交直流变换器，其特征在于：所述三端口双向多相交直流变换器中任意第k个双向开关单元中的正单元包括第一正开关管(SPk1)、第二正开关管(SPk2)、第一正二极管(DPk1)、第二正二极管(DPk2)和正电感(LPk)；其中第一正开关管(SPk1)的漏极连于第k个双向开关单元的高压直流输入端(VHk)，第一正开关管(SPk1)的源极连于第一正二极管(DPk1)的阴极和第二正开关管(SPk2)的漏极，第一正二极管(DPk1)的阳极连于第k个双向开关单元的低压直流输入端(VLk)，第二正开关管(SPk2)的源极连于第二正二极管(DPk2)的阴极和正电感(LPk)的一端，第二正二极管(DPk2)的阳极连于第k个双向开关单元的直流负端(Vk-)，正电感(LPk)的另一端连于第k个双向开关单元的交流输出端(vok)。3.一种基于权利要求1的三端口双向多相交直流变换器，其特征在于：所述三端口双向多相交直流变换器中任意第k个双向开关单元中的正单元包括第一正开关管(SPk1)、第二正开关管(SPk2)、第一正二极管(DPk1)、第二正二极管(DPk2)和正电感(LPk)；其中第一正开关管(SPk1)的漏极连于第k个双向开关单元的高压直流输入端(VHk)，第一正开关管(SPk1)的源极连于第二正开关管(SPk2)的源极、正电感(LPk)的一端和第二正二极管(DPk2)的阴极，第二正开关管(SPk2)的漏极连于第一正二极管(DPk1)的阴极，第一正二极管(DPk1)的阳极连于第k个双向开关单元的低压直流输入端(VLk)，第二正二极管(DPk2)的阳极连于第k个双向开关单元的直流负端(Vk-)，正电感(LPk)的另一端连于第k个双向开关单元的交流输出端(vok)。4.一种基于权利要求1的三端口双向多相交直流变换器，其特征在于：所述三端口双向多相交直流变换器中任意第k个双向开关单元中的正单元包括第一正开关管(SPk1)、第二正开关管(SPk2)、第一正二极管(DPk1)、第二正二极管(DPk2)和正电感(LPk)；其中第一正开关管(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32