(19)中华人民共和国国家知识产权局
虫
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010456932.2
(22)申请日 2020.05.26
(71)申请人 中国科学院电工研究所
地址 100190 北京市海淀区中关村北二条6
号
(72)发明人 曹国恩 王一波 曹睿 王哲
赵勇
(74)专利代理机构 北京瀚仁知识产权代理事务
所(普通合伙) 11482
代理人 宋宝库 屠晓旭
(51)Int.Cl.
嗅探
H02M 3/335(2006.01)
H02M 7/48(2007.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明属于直流变换器技术领域，具体涉及
了一种三相CLLC双向直流变换器及其控制方法，
并联结构模块数量多、可靠性差以及现有基于多
电平技术的变换器电路拓扑复杂、电容分压不
均、钳位管电压应力高的问题。本发明包括：高压
侧分压电容模块包括3个分压电容；三相半桥串
臂包括串联的两个开关管；三相原边/副边谐振
模块包括a、b、c三相原边/副边谐振腔；三相隔离
变压器包括a、b、c三个单相变压器；低压侧电容
模块。本发明通过分压电容进行高压侧电压分
压，降低钳位管电压应力，并通过高频软开关技
术降低开关损耗，
提高变换器效率和功率密度。权利要求书3页 说明书11页 附图6页CN 111669058 A 2020.09.15
his系统
C N 111669058
A
1.一种三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，该直流变换器包括顺次连接的高压侧分压电容模块、三相半桥串联模块、三相原边谐振模块、三相隔离变压器、三相副边谐振模块、三相半桥并联模块、低压侧电容模块；
所述高压侧分压电容模块，用于进行将高压侧的电压分压以及平滑高压直流母线电压并吸收所述三相半桥串联模块的高脉冲电流；
所述三相半桥串联模块，当能量从高压侧向低压侧传递时，用于将分压后的直流母线电压调制为高频交变的交流方波，当能量从低压侧向高压侧传递时，用于将变压器传递来的高频交流电压整流为直流电压；
所述三相原边谐振模块，与所述三相副边谐振模块配合实现开关管的软开关；
所述三相隔离变压器，用于实现原边与副边的电气隔离以及实现原边与副边的能量传输；
所述三相半桥并联模块，当能量从高压侧向低压侧传递时，用于将将变压器传递来的高频交流电压整
流为直流电压，当能量从低压侧向高压侧传递时，用于将低压直流母线电压调制为高频交变的交流方波；
所述低压侧电容模块，用于平滑低压直流母线电压并吸收所述三相半桥并联模块的高脉冲电流。
2.根据权利要求1所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述高压侧分压电容模块包括分压电容C H1、分压电容C H2、分压电容C H3；
所述分压电容C H1、分压电容C H2、分压电容C H3的电压均为高压侧电压的1/3。
3.根据权利要求2所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相半桥串联模块包括串联的桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3；所述桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3分别包括串联的2个开关管；
以所述2个开关管的串联连接点作为其对应的桥臂中点，获得桥臂S1中点桥臂S2中点桥臂S3中点
4.根据权利要求3所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相半桥并联模块包括并联的桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3；所述臂P1、桥臂P2、桥臂P3分别包括串联的2个开关管；
以所述2个开关管的串联连接点作为其对应的桥臂中点，获得桥臂P1中点桥臂P2中点桥臂P3中点
5.根据权利要求4所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相原边谐振模块包括a相原边谐振腔、b相原边谐振腔、c相原边谐振腔；
所述a相原边谐振腔、b相原边谐振腔、c相原边谐振腔分别包括原边谐振电容C rpx、原边谐振电感L rpx；其中，x＝a/b/c。
6.根据权利要求5所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相副边谐振模块包括a相副边谐振腔、b相副边谐振腔、c相副边谐振腔；
所述a相副边谐振腔、b相副边谐振腔、c相副边谐振腔分别包括副边谐振电容C rsx、副边谐振电感L rsx；其中，x＝a/b/c。
7.根据权利要求6所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相隔离变压器包括三相原边绕组、三相副边绕组；
所述三相原边绕组、三相副边绕组各相分别耦接所述原边谐振模块、副边谐振模块的各相；
中国广播电视报
所述三相原边绕组包括第一端T x1、第二端T x2，x＝a/b/c；T a1与所述桥臂S1中点之间
串联原边谐振电容C rpa、原边谐振电感L rpa，T b1与所述桥臂S2中点之间串联原边谐振电容
C rpb、原边谐振电感L rpb，T c1与所述桥臂S3中点之间串联原边谐振电容C rpc、原边谐振电感L rpc；T a2与T b1之间串联原边谐振电感L rpb，T b2与T c1之间串联原边谐振电感L rpc，T c2与T a1之间串联原边谐振电感L rpa；
所述三相副边绕组包括第三端T x3、第四端T x4，x＝a/b/c；T a3与所述桥臂P1中点之间
串联副边谐振电容C rsa、副边谐振电感L rsa，T b3与所述桥臂P2中点之间串联副边谐振电容
C rsb、副边谐振电感L rsb，T c3与所述桥臂P3中点之间串联副边谐振电容C rsc、副边谐振电感L rsc；T a4与T b3之间串联副边谐振电感L rsb，T b4与T c3之间串联副边谐振电感L rsc，T c4与T a3之间串联副边谐振电感L rsa。
8.根据权利要求1-7任一项所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述直流变换器的能量传输包括正向能量传输、反向能量传输；
所述正向能量传输为能量从高压侧传输到低压侧；
所述反向能量传输为能量从低压侧传输到高压侧。
9.根据权利要求1-7任一项所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相原边谐振模块与所述三相副边谐振模块的三相对称。
10.根据权利要求1-7任一项所述的三相CLLC双向直流变换器，其特征在于，所述三相隔离变压器为采用磁集成方式的变压器。
11.一种三相CLLC双向直流变换器控制方法，其特征在于，基于权利要求1-10任一项所述的三相CLLC双向直流变换器，该方法包括：
步骤S10，按照能量传输方向进行开关管的设置，若能量传输方向为正向，则跳转步骤S20；若能量传输方向为反向，则跳转步骤S30；
钱超尘步骤S20，分别设置桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3的2个开关管互补导通、占空比均为50％，并设置桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3的驱动时序依次相差120°；设置桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3的开关管工作在同步整流模式或不控整流模式，跳转步骤S40；
步骤S30，分别设置桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3的2个开关管互补导通、占空比均为50％，并设置桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3的驱动时序依次相差120°；设置桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3的开关管工作在同步整流模式或不控整流模式，跳转步骤S50；
步骤S40，桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3分别将分压后的高压侧电压调制为高频交流方波，经由原边谐振模块后传递到三相变压器，在开关模态切换过程中原边谐振模块使桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3所有开关管实现软开关，桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3将三相变压器副边的高频交变电压整流为直流，在原边开关模态切换过程中副边谐振模块使桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3所有开关管实现软开关，输入电压从高压侧传输至低压侧，实现高压到低压的直流变换；
步骤S50，桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3分别将低压侧电压调制为高频交流方波，经由副边谐振模块后传递到三相变压器，在开关模态切换过程中副边谐振模块使桥臂P1、桥臂P2、桥臂P3所有开关管实现
软开关，桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3将三相变压器原边的高频交变电压整流
为直流，并经过高压侧分压电容将整流后的直流电压串联叠加，在副边开关模态切换过程中原边谐振模块使桥臂S1、桥臂S2、桥臂S3所有开关管实现软开关，输入电压从低压侧传输至高压侧，实现低压到高压的直流变换。
三相CLLC双向直流变换器及其控制方法技术领域
[0001]本发明属于直流变换器技术领域，具体涉及了一种三相CLLC双向直流变换器及其控制方法。
背景技术
[0002]双向直流变换器可实现输入、输出电压不变的同时，改变输入、输出电流的方向，实现能量的双向传输，是直流电压变换和功率控制的关键设备。随着可再生能源分布式发电系统和直流配电网技术的快速发展，适用于高压大功率场合的双向直流变换器成为近年来的重要发展方向和研究热点之一。
[0003]在直流配电网和可再生能源直流发电系统中，高压侧电压可高达几kV到几十kV，由于常规功率开关器件的击穿电压较低，高电压直流电源系统多采用高压侧串联、低压侧并联的模块化连接方式。然而，随着电压的不断提高，模块数量增加，对系统的效率、可靠性和功率密度提出了严峻的挑战。
为了提高直流电源系统的普适性和综合电气性能，上述系统中的双向变换器需满足电压变比高、大功率输出等诸多需求。
[0004]为了适应高电压大功率的运行要求，多电平技术在变换器拓扑中得到较广泛的应用。采用多电平技术的变换器既能实现能量的双向传输，又能满足高电压大功率的要求，还可进一步降低功率开关管的电压应力。然而，随着高压侧电压的升高，多电平变换器功率器件的数量急剧上升，电路拓扑十分复杂，且存在电容分压不均、钳位管电压应力高等问题，为其在高电压双向直流变换器中的应用带来极大挑战。龙岩学院学报
发明内容
[0005]为了解决现有技术中的上述问题，即现有基于模块化的高压侧串联-低压侧并联结构模块数量多、可靠性差以及现有基于多电平技术的变换器随高压侧电压升高电路拓扑复杂、电容分压不均、钳位管电压应力高的问题，本发明提供了一种三相CLLC双向直流变换器，该直流变换器包括顺次连接的高压侧分压电容模块、三相半桥串联模块、三相原边谐振模块、三相隔离变压器、三相副边谐振模块、三相半桥并联模块、低压侧电容模块；
[0006]所述高压侧分压电容模块，用于进行将高压侧的电压分压以及平滑高压直流母线电压并吸收所述三相半桥串联模块的高脉冲电流；
[0007]所述三相半桥串联模块，当能量从高压侧向低压侧传递时，用于将分压后的直流母线电压调制为高频交变的交流方波，当能量从低压侧向高压侧传递时，用于将变压器传递来的高频交流电压整流为直流电压；
[0008]所述三相原边谐振模块，与所述三相副边谐振模块配合实现开关管的软开关；
[0009]所述三相隔离变压器，用于实现原边与副边的电气隔离以及实现原边与副边的能量传输；
[0010]所述三相半桥并联模块，当能量从高压侧向低压侧传递时，用于将将变压器传递来的高频交流电压整流为直流电压，当能量从低压侧向高压侧传递时，用于将低压直流母
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