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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 模块化高压输出直流电源的研究 姓名：陈曦 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：肖岚 2011-03 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 轻型高压直流输电技术在解决电网间的非同步互联、高压远距离传输以及迅速调节等方面 具有较大的优势。传统的轻型高压直流输电技术采用集中型的并网方式，由工频变压器进行升 压，换流器的桥臂由多个功率开关管直接串联进行耐高压，降低了换流器的可靠性和稳定性， 增大了线路中的损耗以及换流站的占地空间。本文针对集中型并网方式中存在的缺点，采用直 流母线型并网方式，研究了模块化输入并联输出串联高压变换电路拓扑，并对模块的
2、主电路拓 扑、控制策略以及高压环境下的关键技术做出了详尽的分析与讨论。 直流变压器在接近 100%的等效占空比下工作，输入输出具有比例关系，易于实现软开关， 输出省去了滤波电感， 适合用于高压大功率变换场合。 本文研究了全桥直流变压器的工作模态， 分析了模块的输出特性，以及电路中相关参数对变换器的影响，并进行了仿真验证。研制出一 台 6kW 的全桥直流变压器装置，实验结果验证了理论与仿真分析。 恒频工作下的移相全桥串联谐振变换器既具有谐振变换器的性质，又具有 PWM 变换器的 优点，易于实现输出功率的调节。本文针对该谐振变换器分析了其工作原理，推导了稳态模型， 研究了器件的电压电流应力，并进行
3、了仿真验证。研制出一台 6kW 的全桥直流变换器装置，实 验结果验证了分析与设计的正确性。 本文针对高压环境下的关键问题进行了深入研究，详尽的分析和设计了高压高频变压器， 并给出了设计步骤。研究了模块输出侧整流桥桥臂中串联二极管不均压问题，讨论了造成二极 管串联不均压的主要因素，解释了高压环境下桥式整流电路二极管串联不均压现象，最后给出 了解决方案。针对输入并联输出串联组合变换器中模块间输出电压关系进行了分析与仿真，搭 建了由两台模块电源构成的组合变换器并进行了实验，实验结果验证了该方案的可行性。 关键词：关键词：高压直流输电，直流变压器，串联谐振变换器，移相全桥，输入并联输出串联，二极 管串
4、联 模块化高压输出直流电源的研究 ii Abstract There are great advantages in solving the non-synchronous interconnection in grid, high voltage power transmission over long distance, adjusting itself quickly by applying HVDC Light technique. Traditional HVDC Light systems adopt park coupled topology in dc connection,
5、which lift the voltage by industrial frequency transformer and need many power electronics devices in direct series in bridge rectifier. In this case the reliability and stability of the converter are reduced, while the loss in the wires and the area of the converter are increased. In this paper, a
6、modular input-parallel output-series (IPOS) high voltage converter topology which is used for cluster coupled with common DC Bus overcomes these drawbacks above effectively, and it focuses on the design of switching-mode power supply for high output voltage and key technologies under high voltage pr
7、essure. The Electric DC-Transformer works at nearly 100% dutycylce without filter inductance ouput. The output voltage is proportional to input voltage, and the switches are ZVS in the DC transformer which can lift the voltage and power. The operation principle of the DC-Transformer based on full-br
8、idge topology is analyzed theoretically. The output characteristics and the influence of the relatively parameters are analyzed. Simulation results are given and a prototype rated 6kW is built to verify the design method. The series resonant phase-shifted full bridge converter which employs fixed-fr
9、equency includes the advantages of both the resonant converters and the pulse-width modulation converters, and it is suited to regulate the output power. The operation principle of resonant converter is analyzed in this paper. A comprehensive design procedure for the converter is proposed based on i
10、ts steady model, and the stresses of the voltage and the current are discussed. A 6kW prototype is designed on this basis, and simulation and experimental results are given to verify the effectiveness of the converter. Some key technologies under high voltage pressure are studied. The design of the
11、transformer with high voltage and high frequency is illustrated. The problem of the voltage sharing in series coupled diodes for high voltage and high frequency rectifier applications is discussed, and the main factors that influence this problem are gotten. Then, the phenomenon of unequal distribut
12、ion of each diode in bridge rectifier circuit is resolved. The problem of the output voltage sharing of the IPOS converter is analyzed and simulated, and the experimental results are given to verify the effectiveness of the proposed strategy. An IPOS prototype consisting of two DC-DC modules is buil
13、t in the lab. Simulation and Experimental results are given to vertify the effectiveness of the propose design. Key Words: HVDC, DCT, series resonant converter, phase-shifted full bridge, IPOS, series diodes 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 轻型 HVDC 结构.2 图 1.2 轻型直流输电的并网方式.3 图 1.3 输入并联输出串联（IPOS）组合变换器拓扑5 图
14、1.4 新型的 IPOS 组合变换器拓扑6 图 1.5 不带滤波电感的全桥变换器结构.7 图 2.1 直流变压器的基本电路结构.10 图 2.2 各种整流电路 10 图 2.3 全桥直流变压器原理图.10 图 2.4 全桥直流变压器的主要波形图.11 图 2.5 全桥直流变压器在各种模态下的等效电路.12 图 2.6 简化等效电路和输出电流波形.13 图 2.7 不同输入电压下输出与负载的关系曲线.14 图 2.8 输出与输入电压变比与电感 Lr的关系曲线15 图 2.9 高压变压器分布电容.16 图 2.10 整流桥极间电容的等效电路.17 图 2.11 考虑高压侧寄生电容时所增加的模态.1
15、8 图 2.12 全桥直流变压器主要仿真波形.18 图 2.13 S1、S4驱动及其集射极电压波形 19 图 3.1 移相全桥串联谐振变换器原理图.23 图 3.2 移相全桥串联谐振变换器主要波形图.23 图 3.3 移相全桥串联谐振变换器各模态等效电路.24 图 3.4 变压器副边折算到原边后的等效电路.25 图 3.5 稳态下进一步等效电路.27 图 3.6 变换器输出传输特性.28 图 3.7 最大峰值电流 Ipk与 Uo的关系.29 图 3.8 谐振电容峰值电压 Vcmax与 Uo的关系.30 图 3.9 不同输入电压下的仿真波形.32 图 3.10 不同输出给定电流下的仿真波形.33
16、 图 3.11 不同输出电压下的仿真波形.34 模块化高压输出直流电源的研究 vi 图 3.12 流过开关管以及并联二极管的电流波形.34 图 3.13 不同输入电压下的实验波形.35 图 3.14 不同输出给定电流下的实验波形.35 图 3.15 不同输出电压下的实验波形.36 图 4.1 铁氧体磁芯 UU80/85/40 规格.40 图 4.2 变压器绕组结构图.40 图 4.3 UU 型磁芯等效磁路.43 图 4.4 高压变压器实物照片.43 图 4.5 串联二极管不均压的外部因素.45 图 4.6 串联二极管承受反向高压的等效电路.45 图 4.7 简化后的等效电路.46 图 4.8 C1=C2情况下串联二极管电位、电压分布图.48 图 4.9 C1C2情况下串联二极管电位、电压分布图.48 图 4.10 串联二极管个数不同时的电压分布图.49 图 4.11 高压高频整流变换器的高压侧.49 图 4.12 整流桥串联二极管不均压实验波形.50 图 4.13 仿真波形 50 图 4.14 串联二极管并联均压电阻实验波形.51 图 4.15 添加均压电容后的等效电路.52 图 4
