CN102969898B - 低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法 - Google Patents

低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法，所述变换器由输入分压电容电路、三电平支路、第一和第二桥臂支路、隔离变压器、整流桥及滤波电路组成。所述控制方法：第一功率开关管开关信号和第二功率开关管开关信号依次经过或门和反相器得到第五、第六功率开关管的开关信号且第五、第六功率开关管同时导通、关断，当处于三电平工作模式时，第三、第四功率开关管180°互补导通，第一第二功率开关管PWM调制；当处于两电平工作模式时，第一、第二功率开关管常断，第五、第六功率开关管常通，第三、第四功率开关管PWM工作。本发明适合于低压宽输入的场合，输出整流波形的高频分量小，减小了输出滤波器的体积和重量。

Description

低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种电能变换装置的直流变换器及其控制方法，尤其涉及一种低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法。
背景技术
随着化石能源的不断紧缺和环境污染的不断加剧，基于新能源和可再生能源的分布式发电***已成为现在研究的热点，直直变换器是其中的一个重要组成部分。而新能源和可再生能源，如：燃料电池、光伏电池等，输出电压随负载和环境的变化而变化，变化范围较宽。在宽输入电压的场合，传统两电平全桥变换器输出整流波形的高频分量大，从而导致输出滤波器体积大、重量重，而传统三电平全桥变换器由于可工作在三电平和两电平2种工作模式，减小了输出整流波形的高频分量，适合于宽输入电压的场合。但传统三电平全桥变换器需要8个功率开关管、2个箝位二极管和1个箝位电容，功率器件数量多，成本高，电路复杂。发明[200810234962.8]提出了1种低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法，只需要6个功率开关管，减少了功率器件的数量，输出整流波形的高频分量小，但还需要2个原边绕组和1个箝位电容，其成本还是很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法。
本发明低压宽输入三电平全桥变换器，包括输入分压电容电路、第一桥臂支路、第二桥臂支路、隔离变压器和整流滤波电路，其中输入分压电容电路包括输入电源、第一输入分压电容和第二输入分压电容，第一桥臂支路包括第一功率开关管和第二功率开关管，第二桥臂支路包括第三功率开关管和第四功率开关管，隔离变压器包括原边绕组和副边绕组，整流滤波电路包括四个整流二极管即第一整流二极管至第四整流二极管、滤波电感和滤波电容；输入电源的正极连接第一输入分压电容的正端构成输入分压电容电路的正输出端，输入电源的负极连接第二输入分压电容的负端构成输入分压电容电路的负输出端，第一输入分压电容的负端连接第二输入分压电容的正端构成输入分压电容电路的中端；第一功率开关管的漏极连接输入分压电容电路的正输出端，第二功率开关管的源极连接输入分压电容电路的负输出端；第三功率开关管的漏极连接输入分压电容电路的正输出端，第四功率开关管的源极连接输入分压电容电路的负输出端；隔离变压器的原边绕组的同名端分别接第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极，隔离变压器的原边绕组的异名端分别接第三功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极，隔离变压器的副边绕组的同名端分别接第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极，隔离变压器的副边绕组的异名端分别接第三整流二极管的阳极和第四整流二极管的阴极；第一整流二极管的阴极分别接第三整流二极管的阴极和滤波电感的输入端，滤波电感的输出端接滤波电容的正端，滤波电容的负端接第四整流二极管的阳极和第二整流二极管的阳极，第二整流二极管的阴极接第一整流二极管的阳极，第四整流二极管的阴极接第三整流二极管的阳极；
还包括三电平支路，所述三电平支路包括第五功率开关管和第六功率开关管；第五功率开关管的漏极接输入分压电容电路的中端，第五功率开关管的源极接第六功率开关管的源极，第六功率开关管的漏极接隔离变压器的原边绕组的同名端。
低压宽输入三电平全桥变换器的控制方法，将采样的低压宽输入三电平全桥变换器的输出电压与给定的基准电压经过电压环调节器后得到调节信号；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于三电平模式，将所述调节信号与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管和第四功率开关管的开关信号，将第三功率开关管的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管的驱动信号，将第四功率开关管的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管的驱动信号，所述第三功率开关管的驱动信号与第四功率开关管的驱动信号为180°互补信号即第三功率开关管与第四功率开关管180°互补导通关断；将所述调节信号与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管和第二功率开关管的开关信号，将第一功率开关管的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管的PWM驱动信号即第一功率开关管为PWM调制，将第二功率开关管的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管的PWM驱动信号即第二功率开关管为PWM调制，将第一功率开关管的开关信号和第二功率开关管的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管和第六功率开关管的驱动信号且第五功率开关管和第六功率开关管同时导通关断；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于两电平模式，将所述调节信号与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管和第四功率开关管的开关信号，将第三功率开关管的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管的PWM驱动信号即第三功率开关管为PWM调制，将第四功率开关管的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管的PWM驱动信号即第四功率开关管为PWM调制；将所述调节信号与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管和第二功率开关管的开关信号，将第一功率开关管的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管的低电平驱动信号即第一功率开关管常断，将第二功率开关管的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管的低电平驱动信号即第二功率开关管常断，将第一功率开关管的开关信号和第二功率开关管的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管和第六功率开关管的高电平驱动信号即第五功率开关管和第六功率开关管常通。
本发明提出的低压宽输入三电平全桥变换器及其控制方法，与发明[200810234962.8]中的低压宽输入推挽正激三电平直流变换器及其控制方法相比，主要有四点不同：一是原边绕组由原来的2个变为1个，减小了变压器的体积和重量；二是省去了箝位电容，减小了***的成本；三是同一桥臂功率开关管电压应力相同，易于选取和散热设计；四是减少了1个驱动电路，降低了成本，提高了效率。
附图说明
图1：本发明电路拓扑图；
图2：本发明控制原理图；
图3：本发明三电平工作模式主要波形示意图；
图4：本发明两电平工作模式主要波形示意图；
图5：本发明三电平工作模式和两电平工作模式下开关模态1等效电路结构示意图；
图6：本发明三电平工作模式下开关模态2等效电路结构示意图；
图7：本发明两电平工作模式下开关模态2等效电路结构示意图。
图中的主要符号名称：Uin：输入电源，C1、C2：第一、第二输入分压电容，S1～S6：第一至第六功率开关管，DS1～DS6：各功率开关管的反并联二极管，NP、NS：隔离变压器的原边绕组和副边绕组，D1～D4：第一至第四输出整流二极管，Lf:滤波电感，Cf：滤波电容，RL：负载，Uo：输出电压，uAB：A与B两点间电压，iL：滤波电感电流，uD1：第一整流二极管承受的电压，uDS1：第一功率开关管漏源极之间的电压，uDS4：第四功率开关管漏源极之间的电压，uDS5：第五功率开关管漏源极之间的电压，uDS6：第六功率开关管漏源极之间的电压。
具体实施方式
如图1所示。低压宽输入三电平全桥变换器，包括输入分压电容电路1、第一桥臂支路3、第二桥臂支路4、隔离变压器5和整流滤波电路6，其中输入分压电容电路1包括输入电源Uin、第一输入分压电容C1和第二输入分压电容C2，第一桥臂支路3包括第一功率开关管S1和第二功率开关管S2，第二桥臂支路4包括第三功率开关管S3和第四功率开关管S4，隔离变压器5包括原边绕组NP和副边绕组NS，整流滤波电路6包括四个整流二极管即第一整流二极管D1至第四整流二极管D4、滤波电感Lf和滤波电容Cf;输入电源Uin的正极连接第一输入分压电容C1的正端构成输入分压电容电路1的正输出端，输入电源Uin的负极连接第二输入分压电容C2的负端构成输入分压电容电路1的负输出端，第一输入分压电容C1的负端连接第二输入分压电容C2的正端构成输入分压电容电路1的中端；第一功率开关管S1的漏极连接输入分压电容电路1的正输出端，第二功率开关管S2的源极连接输入分压电容电路1的负输出端；第三功率开关管S3的漏极连接输入分压电容电路1的正输出端，第四功率开关管S4的源极连接输入分压电容电路1的负输出端；隔离变压器的原边绕组NP的同名端分别接第一功率开关管S1的源极和第二功率开关管S2的漏极，隔离变压器的原边绕组NP的异名端分别接第三功率开关管S3的源极和第四功率开关管S4的漏极，隔离变压器的副边绕组NS的同名端分别接第一整流二极管D1的阳极和第二整流二极管D2的阴极，隔离变压器的副边绕组NS的异名端分别接第三整流二极管D3的阳极和第四整流二极管D4的阴极；第一整流二极管D1的阴极分别接第三整流二极管D3的阴极和滤波电感Lf的输入端，滤波电感Lf的输出端接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端接第四整流二极管D4的阳极和第二整流二极管D2的阳极，第二整流二极管D2的阴极接第一整流二极管D1的阳极，第四整流二极管D4的阴极接第三整流二极管D3的阳极；
还包括三电平支路2，所述三电平支路2包括第五功率开关管S5和第六功率开关管S6；第五功率开关管S5的漏极接输入分压电容电路1的中端，第五功率开关管S5的源极接第六功率开关管S6的源极，第六功率开关管S6的漏极接隔离变压器的原边绕组NP的同名端。
如图2所示，所述的低压宽输入三电平全桥变换器的控制方法，将采样的低压宽输入三电平全桥变换器的输出电压Uo与给定的基准电压Ur经过电压环调节器后得到调节信号Ue；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于三电平模式，将所述调节信号Ue与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管S3和第四功率开关管S4的开关信号，将第三功率开关管S3的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管S3的驱动信号，将第四功率开关管S4的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管S4的驱动信号，所述第三功率开关管S3的驱动信号与第四功率开关管S4的驱动信号为180°互补信号即第三功率开关管S3与第四功率开关管S4180°互补导通关断；将所述调节信号Ue与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的开关信号，将第一功率开关管S1的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管S1的PWM驱动信号即第一功率开关管S1为PWM调制，将第二功率开关管S2的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管S2的PWM驱动信号即第二功率开关管S2为PWM调制，将第一功率开关管S1的开关信号和第二功率开关管S2的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的驱动信号且第五功率开关管S5和第六功率开关管S6同时导通关断；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于两电平模式，将所述调节信号Ue与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管S3和第四功率开关管S4的开关信号，将第三功率开关管S3的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管S3的PWM驱动信号即第三功率开关管S3为PWM调制，将第四功率开关管S4的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管S4的PWM驱动信号即第四功率开关管S4为PWM调制；将所述调节信号Ue与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的开关信号，将第一功率开关管S1的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管S1的低电平驱动信号即第一功率开关管S1常断，将第二功率开关管S2的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管S2的低电平驱动信号即第二功率开关管S2常断，将第一功率开关管S1的开关信号和第二功率开关管S2的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的高电平驱动信号即第五功率开关管S5和第六功率开关管S6常通。
本发明的适合低压宽输入三电平全桥变换器主电路由输入分压电容电路1、三电平支路2、第一桥臂支路3、第二桥臂支路4、隔离变压器5、整流桥及滤波电路6组成。其中，分压电容C1和C2容量很大且相等，其电压均为输入电源Uin的电压U的一半，即Uc1=Uc2=U/2，可看作电压为U/2的电压源。
控制方法如下：不考虑功率开关管之间的死区，延时和功率开关管的开关时间，第一功率开关管开关信号和第二功率开关管开关信号依次经过或门和反相器得到第五、第六功率开关管的开关信号且第五、第六功率开关管同时导通关断。存在三电平和两电平2种工作模式，当处于三电平工作模式时，第三功率开关管S3和第四功率开关管S4180°互补导通，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2以PWM工作方式进行工作；当处于两电平工作模式时，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2常断即占空比为0，第五功率开关管S5和第六功率开关管S6常通即占空比为1，第三功率开关管S3和第四功率开关管S4以PWM工作方式进行工作。
在三电平工作模式下，第一第二功率开关管S1和S2存在两种开关模式：一种是第一、第二功率开关管S1和S2分别与第四、第三功率开关管S4和S3同时关断，即变压器副边整流电压先出现1/2电平，后出现1电平；另一种是第一、第二功率开关管S1和S2分别与第四、第三功率开关管S4和S3同时开通，即变压器副边整流电压先出现1电平，后出现1/2电平。
以第一种功率开关管S1和S2的开关模式为例，结合图5～图6叙述本发明三电平模式下的具体工作原理。
由图3可知整个变换器在1个开关周期有4种开关模态，分别是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]，其中[t0以前，t1]为前半周期，[t1，t3]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，作如下假设：①所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容和变压器均为理想元件，NS/NP=n。
1开关模态1[t0以前][对应于图5]
t0以前，第四、第五、第六功率开关管S4、S5、S6导通，其它功率开关管关断。AB两点间电压为uAB＝nU/2。第一、第二功率开关管S1和S2承受的电压都为U/2，第三功率开关管S3承受的电压为U。副边第一第四整流二极管D1和D4导通，第二、第三整流二极管D2和D3截止。原边向副边传递能量。
2.开关模态2[t0，t1][对应于图6]
t0时刻关断第五、第六功率开关管S5和S6，第一功率开关管S1导通，第四功率开关管S4维持导通。第五功率开关管S5的反并联二极管DS5导通，第六功率开关管S6承受的电压为U/2，第二、第三功率开关管S2和S3承受的电压都为U。uAB电压上升到nU。原边向副边传递能量。
此后第三、第五、第六功率开关管S3、S5、S6导通，其它功率开关管关断，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作。
由图4可知在两电平工作模式下整个变换器在1个开关周期有4种开关模态，分别是[t0以前]、[t0，t1]、[t1，t2]、[t2，t3]，其中[t0以前，t1]为前半周期，[t1，t3]为后半周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
1开关模态1[t0以前][对应于图5]
t0以前，同三电平模式下的开关模态1。
2.开关模态2[t0，t1][对应于图7]
t0时刻关断S4，功率开关管S1、S2、S3和S4承受的电压都为U/2。uAB电压下降到零，副边第一至第四整流二极管D1~D4导通，副边续流。
此后第三功率开关管S3导通，原边给副边提供能量。变换器开始另一半周期工作。

Claims (1)

1.一种低压宽输入三电平全桥变换器的控制方法，所述全桥变换器包括输入分压电容电路(1)、第一桥臂支路(3)、第二桥臂支路(4)、隔离变压器(5)和整流滤波电路(6)，其中输入分压电容电路(1)包括输入电源(Uin)、第一输入分压电容(C1)和第二输入分压电容(C2)，第一桥臂支路(3)包括第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)，第二桥臂支路(4)包括第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)，隔离变压器(5)包括原边绕组(NP)和副边绕组(NS)，整流滤波电路(6)包括四个整流二极管即第一整流二极管(D1)至第四整流二极管(D4)、滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)；输入电源(Uin)的正极连接第一输入分压电容(C1)的正端构成输入分压电容电路(1)的正输出端，输入电源(Uin)的负极连接第二输入分压电容(C2)的负端构成输入分压电容电路(1)的负输出端，第一输入分压电容(C1)的负端连接第二输入分压电容(C2)的正端构成输入分压电容电路(1)的中端；第一功率开关管(S1)的漏极连接输入分压电容电路(1)的正输出端，第二功率开关管(S2)的源极连接输入分压电容电路(1)的负输出端；第三功率开关管(S3)的漏极连接输入分压电容电路(1)的正输出端，第四功率开关管(S4)的源极连接输入分压电容电路(1)的负输出端；隔离变压器的原边绕组(NP)的同名端分别接第一功率开关管(S1)的源极和第二功率开关管(S2)的漏极，隔离变压器的原边绕组(NP)的异名端分别接第三功率开关管(S3)的源极和第四功率开关管(S4)的漏极，隔离变压器的副边绕组(NS)的同名端分别接第一整流二极管(D1)的阳极和第二整流二极管(D2)的阴极，隔离变压器的副边绕组(NS)的异名端分别接第三整流二极管(D3)的阳极和第四整流二极管(D4)的阴极；第一整流二极管(D1)的阴极分别接第三整流二极管(D3)的阴极和滤波电感(Lf)的输入端，滤波电感(Lf)的输出端接滤波电容(Cf)的正端，滤波电容(Cf)的负端接第四整流二极管(D4)的阳极和第二整流二极管(D2)的阳极，第二整流二极管(D2)的阴极接第一整流二极管(D1)的阳极，第四整流二极管(D4)的阴极接第三整流二极管(D3)的阳极；
还包括三电平支路(2)，所述三电平支路(2)包括第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)；第五功率开关管(S5)的漏极接输入分压电容电路(1)的中端，第五功率开关管(S5)的源极接第六功率开关管(S6)的源极，第六功率开关管(S6)的漏极接隔离变压器的原边绕组(NP)的同名端；
其特征在于所述方法如下：将采样的低压宽输入三电平全桥变换器的输出电压(Uo)与给定的基准电压(Ur)经过电压环调节器后得到调节信号(Ue)；将锯齿波发生器产生的第一锯齿波载波信号经过直流偏置电路得到第二锯齿波载波信号；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于三电平模式，将所述调节信号(Ue)与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)的开关信号，将第三功率开关管(S3)的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管(S3)的驱动信号，将第四功率开关管(S4)的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管(S4)的驱动信号，所述第三功率开关管(S3)的驱动信号与第四功率开关管(S4)的驱动信号为180°互补信号即第三功率开关管(S3)与第四功率开关管(S4)180°互补导通关断；将所述调节信号(Ue)与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)的开关信号，将第一功率开关管(S1)的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管(S1)的PWM驱动信号即第一功率开关管(S1)为PWM调制，将第二功率开关管(S2)的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管(S2)的PWM驱动信号即第二功率开关管(S2)为PWM调制，将第一功率开关管(S1)的开关信号和第二功率开关管(S2)的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)的驱动信号且第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)同时导通关断；
当低压宽输入三电平全桥变换器处于两电平模式，将所述调节信号(Ue)与第一锯齿波载波信号依次经过第一比较器、第一逻辑开关产生电路分别得到第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)的开关信号，将第三功率开关管(S3)的开关信号经过第三驱动电路得到第三功率开关管(S3)的PWM驱动信号即第三功率开关管(S3)为PWM调制，将第四功率开关管(S4)的开关信号经过第四驱动电路得到第四功率开关管(S4)的PWM驱动信号即第四功率开关管(S4)为PWM调制；将所述调节信号(Ue)与第二锯齿波载波信号依次经过第二比较器、第二逻辑开关产生电路分别得到第一功率开关管(S1)和第二功率开关管(S2)的开关信号，将第一功率开关管(S1)的开关信号经过第一驱动电路得到第一功率开关管(S1)的低电平驱动信号即第一功率开关管(S1)常断，将第二功率开关管(S2)的开关信号经过第二驱动电路得到第二功率开关管(S2)的低电平驱动信号即第二功率开关管(S2)常断，将第一功率开关管(S1)的开关信号和第二功率开关管(S2)的开关信号分别经过或门、反相器和第五驱动电路得到第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)的高电平驱动信号即第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)常通。
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