一種新型有源前端控制器拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及AFEC拓撲結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙降壓/升壓全橋式變換器與 CLLC諧振變換器結(jié)合的新型AFEC拓撲結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能通用變壓器中有源前端控制器（Active Front-End Controller，AFEC)是利 用電力電子技術(shù)與高頻隔離技術(shù)來實現(xiàn)中壓交流配電網(wǎng)與低壓直流配電網(wǎng)之間功率相互 變換的裝置。該控制器本質(zhì)的功能是對低壓直流側(cè)母線進行電壓調(diào)節(jié)控制，達到中壓交流 側(cè)與低壓直流側(cè)的功率平衡；同時根據(jù)不同的實際要求，可達到無功補償、有源濾波和功率 雙向變換等功能。可方便地為新型電源及負載（如電動汽車）提供直流接口，更符合未來 直流配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。
[0003] 現(xiàn)階段AFEC控制器的主要問題有：1.在AC/DC變換器環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段因為采用傳統(tǒng) H-橋變換器和3電平NPC變換器模塊，存在主要問題是：（1)每個橋臂上存在串聯(lián)主動開 關(guān)，因此存在著直通問題；（2)雖然開關(guān)等效頻率隨著級聯(lián)模塊數(shù)增加而增加，但是每個模 塊的開關(guān)頻率還是受到限制，因為隨著頻率增加，死區(qū)時間的比重將越來越大，進而導致直 流電壓利用率降低；（3)不能簡單地直接采用M0SFET，因為高壓M0SFET的寄生二極管的特 性非常差，因而失去了 M0SFET的較低開關(guān)損耗、電阻性導通特性、高頻化等優(yōu)點。
[0004] 2.后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器采用2電平/三電平DAB變換器，由于其必須采 取閉環(huán)控制移相角來保證電壓輸出特性，因此存在著低載穩(wěn)定控制等難題；同時也可采用 基于變頻控制的諧振變換器，如串聯(lián)諧振變換器等，但是多模塊的變頻控制實現(xiàn)具有一定 的復雜性。
[0005] 基于上述缺陷，本發(fā)明作者經(jīng)過長時間的研宄和實踐獲得了本創(chuàng)作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型有源前端控制器拓撲結(jié)構(gòu)，用以克服上述技術(shù)缺 陷。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種新型有源前端控制器拓撲結(jié)構(gòu)，是將雙降壓/ 升壓全橋式變換器與CLLC諧振變換器模塊作AFEC本體拓撲結(jié)構(gòu)的核心組成部分，采取輸 入串聯(lián)、輸出并聯(lián)方式組合而成。串聯(lián)而成的前端AC-DC變換器是級聯(lián)型雙降壓/升壓全 橋式變換器，相比于傳統(tǒng)級聯(lián)H-橋變換器，該變換器仍然是電壓源型逆變器，但是具有特 殊拓撲結(jié)構(gòu)和運行方式，很大程度地避免了直通的可能性，在一定程度上增加了系統(tǒng)的可 靠性。同時，無需設(shè)置死區(qū)時間，高頻化的同時可以實現(xiàn)占空比最大化，更好地提高直流側(cè) 電壓利用率。輸出并聯(lián)型CLLC諧振變換器組合將公共低壓直流側(cè)與級聯(lián)型雙降壓/升壓 全橋式變換器相互獨立的直流側(cè)建立成統(tǒng)一整體，通過采取ZVS-ZCS控制方式很好地解決 了能量雙向流動及均流控制難題。
[0008] 本設(shè)計所述基本模塊包括第一級功率變換器和第二級功率變換器兩部分，第一級 功率變換器為雙降壓/升壓全橋AC-DC電路，第二級功率變換器為CLLC諧振DC-DC變換器， 第一級與第二級功率變換器之間通過穩(wěn)壓電容連接。所述第二級功率變換器由全橋AC/DC 變換器后串接電容器后接入高頻變壓器一次側(cè)，高頻變壓器二次側(cè)串接電容器后接入全橋 DC/AC變換器所構(gòu)成。
[0009] 進一步地，所述第一級功率變換器，是由第一功率二極管、第一功率開關(guān)管、第一 電抗器構(gòu)成的第一橋臂，第二功率二極管、第二功率開關(guān)管、第三電抗器構(gòu)成的第二橋臂， 第三功率二極管、第三功率開關(guān)管、第三電抗器構(gòu)成的第三橋臂和第四功率二極管、第四功 率開關(guān)管、第四電抗器構(gòu)成的第四橋臂組成的。所述第一橋臂，由第一功率二極管和第一功 率開關(guān)管串聯(lián)，二者公共點連接第一電抗器一端構(gòu)成；所述第二橋臂，由第二功率二極管和 第二功率開關(guān)管串聯(lián)，二者公共點連接第二電抗器一端構(gòu)成；所述第三橋臂，由第三功率二 極管和第三功率開關(guān)管串聯(lián)，二者公共點連接第三電抗器一端構(gòu)成；所述第四橋臂，由第四 功率二極管和第四功率開關(guān)管串聯(lián)，二者公共點連接第四電抗器一端構(gòu)成。
[0010] 進一步地，所述第一電抗器和第二電抗器并聯(lián)，連接AC側(cè)正極；所述第三電抗器 和第四電抗器并聯(lián)，連接AC側(cè)負極。第一功率二極管、第三功率二極管陰極，第二功率開關(guān) 管、第四功率開關(guān)管源級連接直流側(cè)正極，第二功率二極管、第四功率二極管陽極，第一功 率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管漏極連接直流側(cè)負極。
[0011] 進一步地，所述第二級功率變換器，是由第五功率開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第七 功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管構(gòu)成的全橋逆變電路；第二電容器、第三電容器和高頻變壓 器構(gòu)成的諧振電路；第九功率開關(guān)管、第十功率開關(guān)管、第十一功率開關(guān)管、第十二功率開 關(guān)管構(gòu)成的全橋整流電路組成的。第五功率開關(guān)管漏極和第六功率開關(guān)管源極相連，第七 功率開關(guān)管漏極和第八功率開關(guān)管源極相連，第五功率開關(guān)管源極和第七開關(guān)管源極相 連，第六功率開關(guān)管漏極與第八功率開關(guān)管漏極相連構(gòu)成所述全橋逆變電路。
[0012] 進一步地，第二電容器和高頻變壓器一次側(cè)串聯(lián)，第三電容器和高頻變壓器二次 側(cè)串聯(lián)構(gòu)成所述CLLC諧振電路。第九功率開關(guān)管漏極與第十功率開關(guān)管源級相連，第十一 功率開關(guān)管漏極第十二功率開關(guān)管源級相連，第九功率開關(guān)管源級與第十一功率開關(guān)管源 級相連后接入第四電容器正極，第十功率開關(guān)管漏極與第十二功率開關(guān)管漏極相連后接入 第四電容器負極構(gòu)成所述的全橋整流電路。所述全橋逆變電路輸出與CLLC電路一次側(cè)相 連，全橋整流輸入端與CLLC電路二次側(cè)相連。
[0013] 進一步地，所述每個功率開關(guān)管，均可米用尚頻IGBT、SiCMosfet等主動開關(guān)管。 [0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比較本發(fā)明的有益效果在于：通過利用電力電子技術(shù)與高頻隔離技 術(shù)來實現(xiàn)中壓交流配電網(wǎng)與低壓直流配電網(wǎng)之間功率相互變換。對低壓直流側(cè)母線進行電 壓調(diào)節(jié)控制，達到中壓交流側(cè)與低壓直流側(cè)的功率平衡；能夠根據(jù)不同的實際要求，達到無 功補償、有源濾波和功率雙向變換等功能。本拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了中壓工頻交流到中壓直流的 AC-DC功率過程和中壓直流到低壓直流的DC-DC功率變換過程，完成了高頻隔離、能量傳遞 和降壓的功能。同時能夠充分地發(fā)揮有源前端控制器的潛在價值，具備較高的可靠性和系 統(tǒng)效率，具有較好的模塊性并可滿足不同電壓等級要求。
[0015] 級聯(lián)型雙升壓/降壓變換器作為AFEC前端AC-DC變換器，具有無橋臂直通、直流 側(cè)電壓利用率高、功率管及續(xù)流二極管可優(yōu)化選取等功能，同時結(jié)合SiC技術(shù)，提高開關(guān) 頻率，具有優(yōu)越的輸出特性、EMI特性、散熱特性、可靠性。高頻高效的CLLC諧振變換器作 為AFEC后端輸出并聯(lián)型DC-DC變換器：在無需緩沖電路的情況下，實現(xiàn)了功率雙向流動、 ZVS-ZCS工作模式，抑制了開關(guān)損耗。采用基于單級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念的AFEC統(tǒng)一控制 策略：在CLLC諧振變換器模塊工作諧振模式下能夠保持電壓增益不變，特別是輸出并聯(lián)型 DC-DC諧振模塊能夠使得各獨立中間直流側(cè)輸入電壓被鉗住在特定電壓下，與輸出直流側(cè) 電壓間的變比保持恒定，因此采取輸出并聯(lián)型諧振變換器組合將公共低壓直流側(cè)與級聯(lián)型 變換器相互獨立的直流側(cè)建立成統(tǒng)一整體，利用諧振變換器自身工作特性達到均流及中間 直流側(cè)電壓鉗位作用來實現(xiàn)單級控制系統(tǒng)方案，能夠使得系統(tǒng)控制復雜程度不會隨著級聯(lián) 模塊數(shù)增加而增大。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的新型AFEC拓撲結(jié)構(gòu)模塊示意圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明的新型AFEC拓撲結(jié)構(gòu)的級聯(lián)的示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明的基于單級控制系統(tǒng)概念的AFEC統(tǒng)一控制策略框圖。
【具體實施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點作更詳細的說明。
[0020] 請參閱圖1所示，本發(fā)明是一種基于雙降壓/升壓全橋式變換器與CLLC諧振變換 器結(jié)合的新型AFEC拓撲結(jié)構(gòu)。
[0021] 第一功率變換器1，是由第一功率二極管D1、第一功率開關(guān)管S1、第一電抗器L1 構(gòu)成的第一橋臂，第二功率二極管D2、第二功率開關(guān)管S2、第三電抗器L2構(gòu)成的第二橋臂， 第三功率二極管D3、第三功率開關(guān)管S3、第三電抗器L3構(gòu)成的第三橋臂和第四功率二極管 D4、第四功率開關(guān)管S4、第四電抗器L4構(gòu)成的第四橋臂組成的。
[0022] 所述第一橋臂，由第一功率二極管D1和第一功率開關(guān)管S1串聯(lián)，二者公共點連接 第一電抗器一端構(gòu)成；所述第二橋臂，由第二功率二極管D2和第二功率開關(guān)管S2串聯(lián)，二 者公共點連接第二電抗器一端構(gòu)成；所述