5.5 双有源桥式变换器在直流电力电子变压器中的应用在线视频

大家好

今天我们介绍

基于双有源桥式变换器的直流变压器

直流变压器

从它的名字当中

我们就知道它的输入输出侧均为直流电压

它通常应用于中高压大功率的场合

现阶段电力电子器件

它的耐压值有限

单个双有源桥式变换器

无法满足应用场合的现实要求

因此需要通过

多个双有源桥式变换器的串并联组合

来拓展直流变压器

它的电压等级和功率等级

换句话说

就像搭积木一样

形成一个模块化的结构

模块化的结构有如下特点

它引入了模块化的概念

可以实现n+1模块的冗余供电

提高系统的可靠性

模块化设计节约了制作成本

缩短了开发周期

并且模块化容易扩展

可随时根据输入输出功率变化

重新配置模块数量

并且它降低了功率器件承受的

热应力和电气应力

提高了系统的可靠性

单个模块仅需提供系统功率的1/n

简化了系统设计

进一步降低了开发难度

当采用交错控制手段时

能够减小输入输出电压电流纹波

减小滤波器容量

从而提高功率密度

常见的级联结构可以大致分为以下四类

输入并联输出并联

输入串联输出并联

输入串联输出串联以及

输入并联输出并联四种连接结构

此外还有独立输入

串联输出等结构

四种串并联组合方式

根据其各自原理不同有着各自的优势

进而应用于不同的场合

对于的功率等级的直流电力电子变压器

通常采用输入并联输出串联的结构

可以实现大的电压变化

假设直流变压器采用的子模块数量为n

它所具有的优势是采用输入并联的方式

可以将单模块电流降为1/n

采用输出串联的方式可以将

单模块电压降为1/n

输入并联输出串联和

输入串联输出并联都是最常见的

模块化级联结构

首先

我们来介绍输入并联输出串联的结构

它的结构如图所示

从图中我们可以看出

输入侧采用并联形式可以承受更大的电流

输出侧采用串联形式可以输出更高的电压

因此

输入并联输出串联的结构

通常应用于较低的输入电压

变化为较高的输出电压的场合

如半导体制造设备

光伏直流升压汇集系统等以及燃料电池

输入串联输出并联的系统结构如下图所示

从图中我们可以看出输入侧采用串联形式

它的特点是可以承受高电压

输出侧采用并联的一个结构

它可以输出更大的电流

因此

输入串联输出并联它的系统可以应用于

输入电压较高而输出电压相对较低的场合

如高速机车当中的车载牵引变压器

及工业电机驱动

下面我们介绍一下

输入串联输出串联系统结构

如下图所示

我们可以看出

输入侧及输出侧均采用串联结构

它的特点是都能够承受较高的电压

因此

此结构系统通常应用于

输入输出电压都较高的场合

如海上风电传输等

下面我们介绍一下

输入并联输出并联的结构

它的系统结构图如下图所示

从图中我们可以看出

输入侧及输出侧都采用并联形式

它的优点是都可以承受较大的一个电流

但输入输出侧均不能承受高电压

因此

这样的拓扑结构在应用在

第一输出电压大电流的场合较为广泛

如大型计算机电源等

双有源桥式行直流变压器

具有诸多的技术优势

然而在实际应用当中

它也存在着一些亟待解决的技术问题

首先

当子模块数量较多时

且包含一定冗余模块

直流变压器体积会增大

检测和维修的难度也相应增大

第二

直流变压器直流侧存在集中电容

从而使得直流侧发生故障时会出现过电流

是因为电容会进行放电

此时需要增加额外的直流断路器

这样就大大增加了建设成本

并且故障后直流电容需要重新充电

从而故障恢复的过程

相对来说会比较缓慢

第三

电力电子器件高频化可以减小

高频变压器等无源元件的体积

提高功率密度

但当工作频率达到一定的阈值时

综合考虑散热、绝缘等问题后

再增加工作频率

甚至会降低系统的功率密度

因此

应综合考虑工作频率与功率密度的关系

以达到一个最优的组合

另外

当前拓扑结构当中

电能变换环节较多

影响其运行效率

因此研究电能变换环节较少

提高系统的运行效率

且结构紧凑的新型电路拓扑

是提高电力电子变压器

诸多方面性能的一个有效的解决方案

第五

宽禁带半导体器件

如SIC等的应用

SIC器件具有耐压等级高

损耗小等突出优势

可以提高直流变压器功率密度和运行效率

但是高压环境下的电力电子器件会面临着

高频磁场下的一个绝缘问题

另外

较高的电压应力下电磁兼容

也会是一个挑战性的一个问题

以上内容是

关于双源桥式变换器

在直流变压器当中的相关应用