本發明涉及電力電子，尤其涉及一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器。

背景技術：

1、模塊化多電平變換器(mmc)廣泛應用于高壓/中壓直流(hvdc/mvdc)傳輸、電機驅動以及mvdc系統的直流變壓器。由于mvdc配電具有消除無功功率和低損耗等特點，促進了交/直流混合配電網的發展。在當代直流系統中，dc-dc變換器在電壓匹配、功率控制和電流隔離中具有重要作用，確保了系統的穩定性。但電壓的提升，器件的承受力、系統的絕緣性能以及變換器的運行可靠性均面臨挑戰。

2、傳統的方法通過使用輸入串聯輸出并聯(isop)配置滿足中壓系統的需求。在輸入端串聯以支持高電壓，在輸出端并聯以支持大電流。因此，模塊的體積可能較大，功率密度可能較低。對于中/高壓應用，與isop結構相比，使用單個變壓器的dc-dc變換器可以減小尺寸和功率損耗。

3、為了支持高中壓應力下的高模塊化和可靠性，采用了基于mmc結構的sm堆疊該電容器固有的平衡能力可以提高工作頻率、減輕工作負擔、有助于降低實施成本和提高轉換器的效率與可靠性?；陔p有源橋(dab)或llc結構的模塊化多電平dc-ac-dc轉換器(mmdac)，提供了軟開關操作的優勢，從而提高了效率。

4、mmdac和整個直流系統穩定運行的關鍵條件是sm電容器之間的電壓保持良好的平衡。與傳統的mmc?dc-ac轉換相同，在電壓排序過程中，需要根據sm的位置分配插入，但是要使sm電容器在一個交流基頻周期內充放電，采樣和開關頻率必須高于交流頻率，限制了內部交流頻率，降低了交流級的功率密度。

5、近年來，在mmdacs中sm電容電壓調節方法方面取得了一些進展。這涉及到利用雙重分選過程來重新分配門控信號以進行電壓調節。分選是基于sm電容器的電壓及其前一時期的凈增量。這些方法都要求中央控制器具有高計算能力，以便實時采樣，存儲和整理來自sm電容器的電壓數據。同時，排序和重新分配過程引入了sm切換動作的不可預測性，這可能導致由于單個sms的切換頻率和電流應力不同而導致壽命差異。

技術實現思路

1、本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，在初級側和次級側均采用模塊化結構，降低器件的電壓應力；通過循環調制實現每個橋臂的子模塊電容器電壓平衡，功率開關都以零電壓開關方式工作，從而提高了轉換器的效率，并通過相移控制實現雙向功率流動。

2、為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：

3、一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其初級側和次級側均采用模塊化結構，具體為：

4、初級側，直流電壓vin為輸入端口的電壓；輸入電容cin1、cin2串聯，為初級側直流母線創建中性點，與輸入電壓并聯；拓撲電路初級側中smp為初級側上橋臂模塊，smn為初級側下橋臂模塊，上下橋臂模塊均具有n個串聯的半橋子模塊sm，vsmp、vsmn為初級側上橋臂和下橋臂的橋臂電壓；變壓器t原邊繞組的同名端依次經隔直電容cb、功率傳輸電感lk連接于初級側上下橋臂的連接點，變壓器t原邊繞組的異名端與初級側直流母線電容創建的中性點相連；

5、次級側，直流電壓vout為輸出端口的輸出電壓；輸出電容cout1、cout2串聯，為次級側輸出直流母線創建中性點，與輸出電壓并聯；拓撲電路次級側中，sms為次級側上橋臂模塊，sml為次級側下橋臂模塊，上下橋臂模塊均具有n個串聯的半橋子模塊sm，vsms、vsml為次級側上橋臂和下橋臂的橋臂電壓；變壓器t副邊繞組的同名端連接于次級側上下橋臂連接點，變壓器t副邊繞組的異名端與次級側輸出電容創建的中性點相連。

6、進一步地，所述每個半橋子模塊sm，包括電容csm和兩個開關器件q1、q2；開關器件q1的漏極和電容csm一端相連，源極與開關器件q2漏極相連；開關器件q2源極連接于電容csm的另一端。

7、進一步地，所述變壓器t等效成由勵磁電感lm和理想變壓器組成，所有開關管為理想開關管并且反并聯一個二極管和一個寄生電容。

8、進一步地，所述半橋子模塊的開關器件驅動信號的開關頻率為fc，占空比為d＝(2n-1)/2n，變換器雙向傳輸的頻率為fs，其中fs＝n*fc；在正向工作模式下，初級側的上橋臂模塊中的各半橋子模塊移相角為2θ，其中θ＝180/n，而次級側的半橋子模塊相對于初級側移相角為φ，其中0<φ≤180/n；反向工作模式下，只需要將次級側的驅動信號超前初級側的驅動信號。

9、進一步地，初級側中上橋臂和下橋臂對應的半橋子模塊的移相角為θ；次級側中上橋臂和下橋臂對應的半橋子模塊的移相角也為θ。

10、進一步地，每個所述半橋子模塊的開關動作是一致的，隨后的半橋子模塊會相對前一個半橋子模塊延遲一個基波周期tfs；對于各橋臂而言，一種開關模式會連續在n個基波周期中操作n個半橋子模塊；每個半橋子模塊的開關動作也會在同樣的n個基波周期內循環一次；單個半橋子模塊的循環周期內的開關動作時序稱為子模塊開關序列，而各橋臂內n個半橋子模塊在一個基波周期內的開關動作組成橋臂的開關序列。

11、進一步地，各橋臂的開關序列組成一個循環矩陣，當循環矩陣為滿秩矩陣時，該循環矩陣具有唯一解，使模塊化多電平dc-dc變換器的各子模塊電容電壓實現固有平衡。

12、采用上述技術方案所產生的有益效果在于：本發明提供的基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，采用的拓撲結構的基礎是模塊化多電平dc-dc轉換器與雙有源橋結構的結合，該轉換器具有固有的電壓平衡能力，適用于高/中電壓應用；本發明轉換器的初級側和次級側采用模塊化半橋式結構，可降低器件的電壓應力同時優化整體架構。半橋式電路中，兩開關器件互補工作，可以分散高電壓，提升可靠性。模塊化設計增強靈活性與可擴展性，降低生產成本與周期。本發明中拓撲結構通過移相循環調制可以實現每個橋臂的子模塊電容器電壓平衡，確保了轉換器的安全運行，同時可以實現基于移相控制實現在線的雙向功率流動。本發明中根據橋臂電流波形可知，在開關器件導通前，電流從開關器件的并聯二極管中流通，因此本發明中開關器件均處于零電壓開關模式，這提高了轉換器的效率。

技術特征：

1.一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：所述變換器的初級側和次級側均采用模塊化結構，具體為：

2.根據權利要求1所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：所述每個半橋子模塊sm，包括電容csm和兩個開關器件q1、q2；開關器件q1的漏極和電容csm一端相連，源極與開關器件q2漏極相連；開關器件q2源極連接于電容csm的另一端。

3.根據權利要求2所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：所述變壓器t等效成由勵磁電感lm和理想變壓器組成，所有開關管為理想開關管并且反并聯一個二極管和一個寄生電容。

4.根據權利要求2所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：所述半橋子模塊的開關器件驅動信號的開關頻率為fc，占空比為d＝(2n-1)/2n，變換器雙向傳輸的頻率為fs，其中fs＝n*fc；在正向工作模式下，初級側的上橋臂模塊中的各半橋子模塊移相角為2θ，其中θ＝180/n，而次級側的半橋子模塊相對于初級側移相角為φ，其中0<φ≤180/n；反向工作模式下，只需要將次級側的驅動信號超前初級側的驅動信號。

5.根據權利要求4所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：初級側中上橋臂和下橋臂對應的半橋子模塊的移相角為θ；次級側中上橋臂和下橋臂對應的半橋子模塊的移相角也為θ。

6.根據權利要求5所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：每個所述半橋子模塊的開關動作是一致的，隨后的半橋子模塊會相對前一個半橋子模塊延遲一個基波周期tfs；對于各橋臂而言，一種開關模式會連續在n個基波周期中操作n個半橋子模塊；每個半橋子模塊的開關動作也會在同樣的n個基波周期內循環一次；單個半橋子模塊的循環周期內的開關動作時序稱為子模塊開關序列，而各橋臂內n個半橋子模塊在一個基波周期內的開關動作組成橋臂的開關序列。

7.根據權利要求6所述的一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，其特征在于：各橋臂的開關序列組成一個循環矩陣，當循環矩陣為滿秩矩陣時，該循環矩陣具有唯一解，使模塊化多電平dc-dc變換器的各子模塊電容電壓實現固有平衡。

技術總結
本發明提供一種基于移相循環調制的雙向模塊化多電平直流變換器，涉及電力電子技術領域。采用的拓撲結構的基礎是模塊化多電平DC?DC轉換器與雙有源橋結構的結合，該轉換器具有固有的電壓平衡能力，適用于高/中電壓應用；本發明轉換器的初級側和次級側采用模塊化半橋式結構，可降低器件的電壓應力同時優化整體架構。半橋式電路中，兩開關器件互補工作，可以分散高電壓，提升可靠性。模塊化設計增強靈活性與可擴展性，降低生產成本與周期。

技術研發人員：李廣地,吳棋振,汪梓成,陳云榮,周博文
受保護的技術使用者：東北大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28