CN110138197A - 模块化多电平谐振变换器的软启动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直流‑直流变换技术，旨在提供一种模块化多电平谐振变换器的软启动控制方法。该模块化多电平结构谐振变换器的模块化逆变电路包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个上开关管、一个下开关管和一个电容；所述的软启动控制是指，通过逐步增加模块化逆变电路中分别***两个桥臂电路的子模块数目，从而逐步改变各桥臂电压和模块化逆变电路输出电压的幅度，实现在开关频率不变的前提下使输出电压由零平滑提升至额定电压。本发明在开关频率不变的前提下，实现模块化多电平谐振变换器的软启动，避免了传统高频启动时高开关损耗。

Description

模块化多电平谐振变换器的软启动控制方法

技术领域

本发明涉及直流-直流变换技术，具体涉及电力电子技术领域中模块化多电平谐振变换器的电压控制方法，用于实现中高压直流向低压直流的宽范围变换。

背景技术

在电力***、舰艇等应用场合，常需要将中高压直流转化为低压直流，例如中压直流电网向工业民用低压电网配电。在这类应用中，中国发明专利“一种谐振型电力电子变流器及变流器装置”(申请号201310309952.7)提出的模块化多电平谐振变换器MMR(ModularMultilevel Resonant，后级DC/DC隔离电路)集成了模块化多电平变换器和谐振变换器的优势，具有较好的应用前景。模块化多电平结构使MMR中压侧能承受高压，谐振型结构使功率器件能实现软开关，保证了MMR的高效率。MMR在启动时存在较大的谐振电流浪涌，可能使电感、变压器等磁元件饱和，并损坏功率器件，为抑制该电流浪涌，传统做法是以数倍于谐振频率的开关频率启动，并随输出电压抬升逐步降频。但过高的开关频率还是会导致较大开关损耗，导致器件在启动时过热，影响可靠性。

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种模块化多电平谐振变换器的软启动控制方法。该方法通过逐步调整模块化逆变电路各桥臂中***电路的子模块数目，在不调节开关频率前提下，使输出电压由零平滑提升至额定电压，且能避免出现过流现象。

为解决技术问题，本发明提出的解决方案是：

提供一种模块化多电平结构谐振变换器的软启动控制方法，所述模块化多电平结构谐振变换器包括模块化逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，模块化逆变电路经谐振网络接至变压器的原边，变压器的副边依次连接整流器和输出电容；模块化逆变电路包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个上开关管、一个下开关管和一个电容，上开关管与下开关管串联后并接至电容的两侧；

所述的软启动控制是指，通过逐步增加模块化逆变电路中分别***两个桥臂电路的子模块数目，从而逐步改变各桥臂电压和模块化逆变电路输出电压的幅度，实现在开关频率不变的前提下使输出电压由零平滑提升至额定电压。

本发明中，在模块化逆变电路的上下桥臂中，每个子模块中的上开关管和下开关管的导通角互补，且不会同时导通。

本发明中，所述软启动控制的过程具体包括：

(1)在启动之初，两个桥臂电压均为输入电压的一半，谐振变换器的谐振电流i_L和输出电压V_o均为零；

(2)软启动开始时，上、下桥臂中各有一个子模块执行开关动作，使两个桥臂电压各产生一个阶梯的方波，其阶梯幅度与子模块电容电压v_c一致且彼此互补；同时，模块化逆变电路出现谐振电流，其输出电压的幅值是v_c/2，输出电流V_o由零开始提升；

(3)随着上、下桥臂中执行开关动作的子模块数目逐步增加，谐振变换器的谐振电流逐步变大，其输出电压逐步提升至额定值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在开关频率不变的前提下，实现模块化多电平谐振变换器的软启动，避免了传统高频启动时高开关损耗。

附图说明

图1：本发明中模块化多电平谐振变换器MMR的拓扑结构示例；

图2：MMR启动之初的桥臂电压波形图；

图3：MMR桥臂1个子模块动作的波形图；

图4：MMR桥臂k个子模块动作的波形图；

图5：采用本软启动控制方法的典型仿真波形图。

附图标记或代号：10模块化逆变电路、101桥臂、102桥臂、20谐振网络、30变压器、40整流器、50输出电容、Cell子模块、S₁子模块上开关管、S₂子模块下开关管、C子模块电容、v_c子模块电容电压、g_i子模块驱动信号、L桥臂电感、i_L谐振电流、i_m励磁电流、V_i变换器输入电压、V_o变换器输出电压、g₁₁～g_1N和g₂₁～g_2N桥臂101、102的驱动信号、N桥臂子模块数目、k上开关管常通的子模块数目、v₁₁～v_1N 101桥臂子模块电容电压、v₂₁～v_2N 102桥臂子模块电容电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明作用的模块化多电平谐振变换器MMR(如图1所示)，包括逆变电路10、谐振网络20、变压器30、整流器40和输出电容50，谐振网络20由一个电感与一个电容组成。逆变电路10与谐振网络20位于变压器30的原边；整流器40和输出电容50位于变压器30的副边；V_i、V_o分别是变换器输入和输出电压；逆变电路10包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感L和至少一个与电感串联的子模块Cell；每个子模块Cell均具有相同结构，包含一个上开关管S₁、一个下开关管S₂和一个电容C，开关管S₂、S₂串联后并接至电容C的两侧。子模块Cell的开关信号是g_i，g_i直接控制S₁，S₂的控制信号与g_i互补。驱动信号g₁₁～g_1N根据上桥臂子模块电压和均压控制分配给上桥臂各子模块，驱动信号g₂₁～g_2N按同样的方法给配给下桥臂，具体的均压控制方法不在本专利讨论范围之内。

图2-4示例性展示了MMR软启动控制方法。启动之初如图2所示，上桥臂和下桥臂电压v_arm1和v_arm2电压都维持在V_i/2(输入电压的一半)，此时MMR谐振电流i_L为0，输出电压V_o为0。接着，上、下桥臂中的各一个子模块执行开关动作，如图3所示，v_arm1和v_arm2产生一个阶梯的方波，阶梯幅度是v_c(子模块电容电压)，v_arm1与v_arm2互补，根据图1模块化逆变电路的输出电压，幅值是v_c/2。此时MMR出现谐振电流，输出电流V_o由0提升。随着执行开关动作的子模块数目逐步增加(2,3,….)，谐振电流逐步变大，输出电压V_o逐步提升至额定值。图4展示了k个子模块执行开关动作的波形图。

图5展示了采用本软启动方法控制的MMR的典型仿真波形图。随着执行开关动作的子模块逐步增多，谐振电流i_L、变压器励磁电流i_m和输出电压V_o逐步增大，V_o缓慢提升至额定值，i_L、i_m不存在大的过冲。

虽然通过优选实施例进一步详细地说明并描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例，本领域技术人员可以从中得出其他变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种模块化多电平结构谐振变换器的软启动控制方法，其特征在于，所述模块化多电平结构谐振变换器包括模块化逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，模块化逆变电路经谐振网络接至变压器的原边，变压器的副边依次连接整流器和输出电容；模块化逆变电路包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个上开关管、一个下开关管和一个电容，上开关管与下开关管串联后并接至电容的两侧；

所述的软启动控制是指，通过逐步增加模块化逆变电路中分别***两个桥臂电路的子模块数目，从而逐步改变各桥臂电压和模块化逆变电路输出电压的幅度，实现在开关频率不变的前提下使输出电压由零平滑提升至额定电压。

2.根据权利要求1所述的软启动控制方法，其特征在于，在模块化逆变电路的上下桥臂中，每个子模块中的上开关管和下开关管的导通角互补，且不会同时导通。

3.根据权利要求1所述的软启动控制方法，其特征在于，所述软启动控制的过程具体包括：

(1)在启动之初，两个桥臂电压均为输入电压的一半，谐振变换器的谐振电流i_L和输出电压V_o均为零；

(2)软启动开始时，上、下桥臂中各有一个子模块执行开关动作，使两个桥臂电压各产生一个阶梯的方波，其阶梯幅度与子模块电容电压v_c一致且彼此互补；同时，模块化逆变电路出现谐振电流，其输出电压的幅值是v_c/2，输出电流V_o由零开始提升；

(3)随着上、下桥臂中执行开关动作的子模块数目逐步增加，谐振变换器的谐振电流逐步变大，其输出电压逐步提升至额定值。