CN103595246A

CN103595246A - 一种双频控制组合式三相三电平直流变换器及其控制方法

Info

Publication number: CN103595246A
Application number: CN201310549320.8A
Authority: CN
Inventors: 刘福鑫; 张吾杨; 阮新波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-07
Also published as: CN103595246B

Abstract

本发明公开了一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，包括三电平箝位单元、三相全桥单元，所述三电平箝位单元与三相全桥单元嵌套连接，该变换器采用三相三电平结构，可有效降低开关管电压电流定额，适合于高压大功率场合。本发明还公开了一种双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，包括降电压和全电压两种工作模式，在两种工作模式下，三相全桥单元均可采用对称控制方式和不对称控制方式，可在宽范围输入下有效减小输出滤波电感，降低副边整流管电压应力。三电平箝位单元工作在低频状态，为硬开关，三相全桥单元工作在高频状态，开关管可实现零电压开关，开关损耗小，变换器具有高效率。

Description

一种双频控制组合式三相三电平直流变换器及其控制方法

技术领域

本发明的双频控制组合式三相三电平直流变换器及其控制方法，属电能变换装置的直流变换器。

背景技术

随着电力电子技术不断发展，高效节能成为当前电源***的主流需求方向。在大功率直流变换场合，为了提高电源***的普适性或适应电网的大范围波动，往往需要电源***还要满足宽电压变化范围要求，由此给电源***设计带来了极大的挑战。以电动汽车场站充电***为例，就输入来看，最新的SAE J1772-2009标准提供两种输入供电制式：交流供电和直流供电。直流供电制式分为三种等级，其中直流等级3输入电压范围为200V～600V，未来最高输入电压可能提升至数千伏，最大处理功率将达到240kW甚至更高。就输出来看，国家电网公司为统一国内充电***电压等级，确定通过三种直流电压来适应各类电动汽车充电要求，即350V、500V和700V，为提高充电***普适性，未来其输出需覆盖各个电压等级，这就要求场站充电***应具有宽电压输出特性。具有类似特点的电源***还有船舶、高速电气铁路和城市轨道交通等电气***中的辅助直流电源***，如在城市轨道交通车辆中，受流器从架空接触网或第三轨接收直流电能为车载辅助电源供电，其供电电网有750V直流及1500V直流两种体制，前者允许电压变化范围为500～900V，后者允许电压变化范围为1000～1800V；船舶供电***中电源电压有的采用850～1250V直流，高速电气铁路中的直流母线电压更是高达2160～2600V。综上，为了提高电源装置的普适性和综合电气性能，上述电源***需满足大功率输出、高输入/输出电压和宽输入/输出电压等诸多苛刻要求。

三电平变换器可以通过增加开关管的数量来降低开关管的电压应力，使之适用于高输入电压场合。半桥三电平变换器是最早提出的隔离型三电平变换器之一，它具有电路结构简单、可以实现软开关、开关频率恒定等优点，因而得到广泛应用。但随着输出功率的提高，开关管的电流应力也随之增加。为降低开关管的电流应力，可采用多个器件或模块并联，但也同时存在热设计困难、控制电路复杂等问题。为解决该问题，有学者提出三相三电平直流变换器拓扑，有效降低了开关管的电压电流应力，适用于大功率应用场合，但变换器在宽输入电压场合下难以优化设计，同时开关管和二极管数量多，变换器结构较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，解决了变换器结构复杂的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，包括三电平箝位单元、三相全桥单元，所述三电平箝位单元包括第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容、第七开关管、第八开关管、第一续流二极管、第二续流二极管，所述第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容分别包括第一端、第二端；其中，所述第七开关管的输入端与第一分压电容的第一端连接，第七开关管的输出端分别与第一续流二极管的阴极、飞跨电容的第一端连接形成结点M；所述第一续流二极管的阳极分别与第一分压电容的第二端、第二分压电容的第一端、第二续流二极管的阴极连接；所述飞跨电容的第二端分别与第二续流二极管的阳极、第八开关管的输入端连接形成结点N；所述第二分压电容的第二端与第八开关管的输出端连接；所述三相全桥单元包括三相桥臂、三相隔离变压器、整流滤波电路，所述三相桥臂包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，所述A相桥臂包括第一开关管、第四开关管，B相桥臂包括第三开关管、第六开关管，C相桥臂包括第二开关管、第五开关管。

为了进一步解决现有变换器输入电压范围窄的问题，本发明还提供一种双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，采用如下技术方案：

一种双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，包括降电压和全电压两种工作模式，

（1）变换器工作在降电压模式，控制所述第七开关管、第八开关管互补对称导通，控制三相全桥单元工作在对称控制方式或不对称控制方式，其中对称控制方式为：控制第一至第六开关管依次导通，每个开关管导通时间均相等，导通时间相隔1/6开关周期，每个开关管导通的占空比变化范围为1/6～1/3；不对称控制方式为：第一开关管、第三开关管、第五开关管依次导通，导通时间相隔1/3开关周期，第一开关管与第四开关管互补导通、第三开关管与第六开关管互补导通、第五开关管与第二开关管互补导通，同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔；

（2）变换器工作在全电压模式，控制所述第七开关管、第八开关管同时导通，控制三相全桥单元工作在对称控制方式或不对称控制方式，其中对称控制方式为：控制第一至第六开关管依次导通，每个开关管导通时间均相等，导通时间相隔1/6开关周期，每个开关管导通的占空比变化范围为1/6～1/3；不对称控制方式为：第一开关管、第三开关管、第五开关管依次导通，导通时间相隔1/3开关周期，第一开关管与第四开关管互补导通、第三开关管与第六开关管互补导通、第五开关管与第二开关管互补导通，同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔。

所述第七开关管、第八开关管工作在低频状态，第一至第六开关管工作在高频状态

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）本发明的双频控制组合式三相三电平直流变换器，同已有三相三电平变换器相比，开关管和二极管的数量少，电路结构简单。

（2）采用三相结构，可有效降低开关管电流定额，适用于大功率场合；输出电流脉动频率为传统单相变换器的三倍(或1.5倍)，可有效减小输出滤波器。

（3）本发明的控制方法具有两种工作模式，即降电压模式和全电压模式，在不同输入电压下控制变换器工作在不同模式，可以减小输入电压的等效变化范围，优化变换器性能。

（4）该变换器工作在降电压模式下所有开关管的电压应力均为输入电压的一半，适用于高压输入场合。

（5）采用双频控制使三电平箝位单元开关管工作在低频状态，使三相全桥单元开关管工作在高频状态，变换器开关损耗小，变换器具有高效率。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

图2是本发明的控制时序图。

图3（a）为本发明降电压模式正半周期等效工作模态图。

图3（b）为本发明降电压模式负半周期等效工作模态图。

图3（c）为全电压模式等效工作模态图。

图4（a）为本发明开关管电压应力V_SR与切换点电压关系曲线图。

图4（b）为本发明副边整流管电压应力V_DR与切换点电压关系曲线图。

图4（c）为本发明滤波电感L_f与切换点电压关系曲线图。

图5（a）为本发明开关管电压应力V_SR与输入电压关系曲线图。

图5（b）为本发明副边整流管电压应力V_DR与输入电压关系曲线图。

图5（c）为本发明滤波电感L_f与输入电压关系曲线图。

图6（a）为本发明输入电压为200V时实验波形。

图6（b）为本发明输入电压为300V时实验波形。

图6（c）为本发明输入电压为600V时实验波形。

其中，附图中的V_in-bound为切换点电压，V_in为输入电压，t为时间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，双频控制组合式三相三电平直流变换器，包括三电平箝位单元1、三相全桥单元2；其中三电平箝位单元包括分压电容C_d1和分压电容C_d2、开关管Q_A与开关管Q_B、续流二极管D_f1和续流二极管D_f2以及飞跨电容C_ss，所述分压电容C_d1、分压电容C_d2、飞跨电容C_ss分别包括第一端、第二端；其中，所述开关管Q_A的输入端与分压电容C_d1的第一端连接，开关管Q_A的输出端分别与续流二极管D_f1的阴极、飞跨电容C_ss的第一端连接形成结点M；所述续流二极管D_f1的阳极分别与分压电容C_d1的第二端、分压电容C_d2的第一端、续流二极管D_f2的阴极连接；所述飞跨电容C_ss的第二端分别与续流二极管D_f2的阳极、开关管Q_B的输入端连接形成结点N；所述分压电容C_d2的第二端与开关管Q_B的输出端连接；所述三相全桥单元包括三相桥臂、三相隔离变压器、整流滤波电路，所述三相桥臂包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，所述A相桥臂包括开关管Q₁、开关管Q₄，B相桥臂包括开关管Q₃、开关管Q₆，C相桥臂包括开关管Q₂、开关管Q₅。

分压电容C_d1和分压电容C_d2容量很大且相等，其电压均为输入电压V_in的一半，即V_cd1=V_cd2=V_in/2，可看作电压为V_in/2的电压源。

三相变压器的原边绕组采用三角形连接方式，副边绕组采用星形连接方式，除此之外，变压器也可采用三角形/三角形、星形/三角形、星形/星形连接方式。副边采用三相桥式整流电路，D_R1～D_R6是副边整流二极管，L_f是输出滤波电感，C_f是输出滤波电容，R_Ld是负载。

本发明具体控制方法的控制时序图如图2所示，包括降电压和全电压两种工作模式，

（1）当输入电压较高时，令Q_A、Q_B互补对称导通，此时三相全桥单元输入电压v_MN=V_in/2，所有开关管电压应力为输入电压的一半，定义为变换器工作在降电压模式，等效电路图如图3（a）和图3（b）所示，图3（a）中开关管Q_A导通，电流流经开关管Q_A、三相全桥单元和续流二极管D_f2，此时分压电容C_d1提供能量；图3（b）中开关管Q_B导通，电流流经开关管Q_B、三相全桥单元和续流二极管D_f1，此时分压电容C_d2提供能量。由于开关管Q_A、开关管Q_B导通时间相同，因此两个分压电容是均压的。

（2）当输入电压较低时，令Q_A、Q_B一直导通，此时v_MN=V_in，开关管Q₁～Q₆的电压应力为输入电压，定义变换器工作在全电压模式，其等效电路图如图3（c）所示，电流流经输入电源、Q_A、三相全桥单元和Q_B，其工作原理与三相全桥变换器完全相同。

该变换器工作在降电压或全电压模式下，三相全桥单元均可采用对称控制或不对称控制，其中对称控制方式为：每个开关管导通时间均相等，且序号相邻的开关管Q₁～Q₆依次导通，导通时间相隔1/6开关周期，开关管的占空比变化范围为1/6～1/3，该控制方式下三相全桥单元的开关管为硬开关。

不对称控制方式为：A、B、C三相桥臂中开关管Q₁、Q₃、Q₅占空比相同且各间隔三分之一周期开通，每相桥臂的两个开关管互补导通，且同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔；由此可以实现该单元开关管的零电压开关。

为提高变换器效率，三相全桥单元优选不对称控制方式，由于开关管Q_A与Q_B的作用仅是实现输入均压电容电压均衡，其开关频率与变换器其他参数无关，为了降低其开关损耗，可让其工作在低频状态，而三相全桥单元中的开关管则工作在高频状态，因此该变换器实质采用的是双频控制方式。

两种工作模式间切换点电压V_in,bound决定了三相全桥单元输入电压v_MN的范围，直接影响了开关管、副边整流管电压应力及滤波电感的大小，因此切换点电压是该变换器设计的关键。下面以具体参数为例介绍切换点电压的选择。变换器参数指标如下，输入电压V_in：200V～600V，输出电压：V_o=48V，满载电流：I_o=20A，电感电流脉动：Δi_{Lf_max}=4A，三相全桥单元开关频率f_s=50kHz，最大占空比丢失D_{loss_max}=0.15。设两种工作模式的切换点电压为V_in,bound，当200V≤V_in≤V_in,bound时，变换器工作在全电压模式；当V_in,bound≤V_in≤600V时，变换器工作在降电压模式。根据最终所得三相全桥单元输入电压v_MN变化范围的不同，将切换点电压V_in,bound划分为如下三个区域：

i)若200V≤V_in,bound≤300V，三相全桥单元输入电压v_MN变化范围为V_in,bound/2≤V_in≤300V；

ii)若300V≤V_in,bound≤400V，三相全桥单元输入电压v_MN变化范围为V_in,bound/2≤V_in≤V_in,bound；

iii)若400V≤V_in,bound≤600V，三相全桥单元输入电压v_MN变化范围为200V≤V_in≤V_in,bound。

由三相全桥单元输入电压v_MN最小值确定变压器匝比K_Tr，三相全桥单元输入电压v_MN最大值确定所需滤波电感L_f，可求得开关管电压应力V_SR、整流管电压应力V_DR及滤波电感L_f关于V_in,bound的表达式，相应得到的曲线如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示，当取切换点电压V_in,bound=300V时，开关管与整流管电压应力最小，所需滤波电感也最小。

为了进一步说明本发明的变换器在宽输入电压范围时的优势，将其与半桥三电平变换器和三相全桥变换器进行对比，如图5（a）、图5（b）、图5（c）所示，将切换点电压设计在300V时，本发明组合式三相三电平变换器在开关管电压应力、整流管电压应力、滤波电感等方面均是最优的。

在实际参数设计时，应首先根据输入电压范围综合比较切换点电压对变换器各项参数的影响，进而选择一个合理的切换点电压值。

本发明的一个具体实例如下：输入直流电压：V_in=200～600V；输出直流电压：V_o=48V；输出电流：I_o=20A；三相变压器原副边变比：K_Tr=5；输出滤波电感：L_f=45uF；开关管(Q₁-Q₆)型号为：IPW65R080CFD；续流二极管(D_f1、D_f2)型号为：DSEI30-06A；副边整流二极管(D_R1-D_R6)型号为：STPS60SM200C；Q_A、Q_B开关频率：f_s1=12.5kHz；三相全桥单元开关频率：f_s2=50kHz。

图6（a）、图6（b）、图6（c）分别给出了200V、300V及600V输入、满载时桥臂中点间电压v_AB、副边整流电压v_rect及滤波电感电流i_Lf波形，图6（a）中桥臂中点间电压v_AB高电平幅值为输入电压，说明在200V输入时变换器工作在全电压模式；图6（b）、图6（c）桥臂中点间电压v_AB高电平幅值为输入电压的一半，说明在300V、600V输入时变换器工作在降电压模式，其中300V输入时滤波电感电流脉动最小，实验与理论分析相一致。

由以上描述可知，本发明提出的双频控制组合式三相三电平直流变换器具有如下优点：

①与现有三相三电平直流变换器相比，开关管数量减少，电路结构简单；

②高压时开关管电压应力为输入电压一半，适合于高压输入场合；

③采用三相结构，可有效降低开关管电流应力，适合于大功率场合；

④采用双频控制使三电平箝位单元开关管工作在低频状态，开关损耗小；

具有两种工作模式，在宽范围输入时，选择合适的切换点电压，变换器可获得最优性能。

Claims

1.一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，其特征在于：包括三电平箝位单元、三相全桥单元，所述三电平箝位单元包括第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容、第七开关管、第八开关管、第一续流二极管、第二续流二极管，所述第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容分别包括第一端、第二端；其中，所述第七开关管的输入端与第一分压电容的第一端连接，第七开关管的输出端分别与第一续流二极管的阴极、飞跨电容的第一端连接形成结点M；所述第一续流二极管的阳极分别与第一分压电容的第二端、第二分压电容的第一端、第二续流二极管的阴极连接；所述飞跨电容的第二端分别与第二续流二极管的阳极、第八开关管的输入端连接形成结点N；所述第二分压电容的第二端与第八开关管的输出端连接；所述三相全桥单元包括三相桥臂、三相隔离变压器、整流滤波电路，所述三相桥臂包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，所述A相桥臂包括第一开关管、第四开关管，B相桥臂包括第三开关管、第六开关管，C相桥臂包括第二开关管、第五开关管。

2.一种基于权利要求1所述双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，其特征在于：包括降电压和全电压两种工作模式，

（1）变换器工作在降电压模式，控制所述第七开关管、第八开关管互补对称导通，控制三相全桥单元工作在对称控制方式或不对称控制方式，其中对称控制方式为：控制第一至第六开关管依次导通，每个开关管导通时间均相等，导通时间相隔1/6开关周期，每个开关管导通的占空比变化范围为1/6~1/3；不对称控制方式为：第一开关管、第三开关管、第五开关管依次导通，导通时间相隔1/3开关周期，第一开关管与第四开关管互补导通、第三开关管与第六开关管互补导通、第五开关管与第二开关管互补导通，同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔；

（2）变换器工作在全电压模式，控制所述第七开关管、第八开关管同时导通，控制三相全桥单元工作在对称控制方式或不对称控制方式，其中对称控制方式为：控制第一至第六开关管依次导通，每个开关管导通时间均相等，导通时间相隔1/6开关周期，每个开关管导通的占空比变化范围为1/6~1/3；不对称控制方式为：第一开关管、第三开关管、第五开关管依次导通，导通时间相隔1/3开关周期，第一开关管与第四开关管互补导通、第三开关管与第六开关管互补导通、第五开关管与第二开关管互补导通，同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔。

3.根据权利要求2所述的双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，其特征在于：所述第七开关管、第八开关管工作在低频状态，第一至第六开关管工作在高频状态。