CN113765392A - 一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路 - Google Patents

一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，属于电力电子研究领域，得到了基于所提五电平双有源变换器的系列拓扑电路。第一钳位二极管单元按正向导通方向，从电容之间节点连接到开关之间的节点；第二钳位二极管单元按正向导通方向，从开关之间节点连接到电容之间的节点；第三钳位二极管单元按正向导通方向，从电容之间节点连接到开关之间的节点；第四钳位二极管单元按正向导通方向，从开关之间节点连接到电容之间的节点；本发明能够在极大限度减少隔离变压器数量的情况下，实现更高直流电压的接入。以原边新型五电平，副边传统全桥的双有源变换器为例，对变换器五电平侧的工作模式进行分析，得到的输出结果符合预期目标。

Description

一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路
技术领域
本发明属于电力电子研究领域，公开了一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路， 该五电平拓扑能够在极大限度减少隔离变压器数量的情况下，实现更高直流电压的接入。
背景技术
近些年来，大量化石燃料的使用导致全球气候变暖，人类的生存环境面临着新的挑战。 为应对环境危机，光伏、风力等可再生能源受到了越来越多的关注与发展。为实现可再生 能源更好地接入电网，需要采用电力电子技术将电能进行变换。在此背景下，直流电网因 其损耗小、效率高、电能质量问题少、满足不同负荷和用户需求等优势，将在未来新型能 源应用上发挥重要的作用。
对于直流微电网、配电网及电池充电等应用场景，为实现电能的变换，需要采用大功 率隔离式DC-DC变换器。双有源变换器(DAB)因其具有能量双向流动、电压转换范围宽、效率高等特点，得到了许多学者的研究。目前的双有源变换器有半桥、全桥和三电平的拓扑结构，并采用单相移(SPS)、扩展相移(EPS)、双相移(DPS)和三相移(TPS)等调制 方式，从而实现电能的变换。但目前已有的拓扑结构已经不能满足对于变换器高电压、大 功率的需要。
发明内容
为了实现较宽范围的电压变换，减少设备使用数量，降低投入成本，本发明提出了一 种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，并提出基于所设计的五电平双有源变换器的系 列拓扑电路。
本发明采用如下技术方案：
一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，所述拓扑五电平侧包含第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3、第八开关单元SL4、第一钳位二极管单元DU1、第二钳位二极管 单元DU2、第三钳位二极管单元DU3、第四钳位二极管单元DU4、第一变压器T、第一电感Lr、 第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容CB；
其中，第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3、第八开关单元SL4按顺序依次串联 后，并联接于输入电源；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3第四电容C4按顺序依次 串联后，同样与输入电源并联；电容C2和C3之间节点与开关SU4和SL1之间的节点相连；
第一钳位二极管单元DU1按正向导通方向，从电容C1和C2之间节点连接到开关SU1和SU2之间的节点；第二钳位二极管单元DU2按正向导通方向，从开关SU3和SU4之间节点连接 到电容C1和C2之间的节点；第三钳位二极管单元DU3按正向导通方向，从电容C3和C4之间 节点连接到开关SL1和SL2之间的节点；第四钳位二极管单元DU4按正向导通方向，从开关 SL3和SL4之间节点连接到电容C3和C4之间的节点；
第一电感Lr和第五电容CB串接后，一端与开关SU2和SU3之间的节点相连，另一端与第 一变压器T原边一端相连；第一变压器T原边另一端与开关SL2和SL3之间的节点相连。
通过控制所述拓扑五电平侧的第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、 第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3第及第八开关单元SL4的导通与关断状态，在开关SU2和SU3间节点与开关SL2和SL3间节点之间可以产生五种电平的输入电压。
在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用传统全桥电 路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路1。
在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用传统半桥电 路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路2。
在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用半桥三电平 电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路3。
在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用全桥三电平 电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路4。
在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧也采用所提出的 五电平结构可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路5。
本发明对原有的拓扑结构进行了改进，解决了高直流电压直接接入的技术问题，达到 减少隔离变压器使用数量，降低成本，实现高性能电压变换的效果。所提出的拓扑能够在 使用较少设备的情况下，实现较宽范围的电能变化，因此本发明具有低成本、高性能等优 点。
附图说明
图1为本发明所提出的五电平双有源变换器的拓扑结构图。
图2为本发明中双有源变换器五电平侧的不同工作模式。
图3为本发明在基本模式下开关管门极驱动信号及对应的输出波形。
图4为本发明基于五电平双有源变换器拓展的系列拓扑电路
具体实施方式
本发明所设计的一种五电平双有源变换器的拓扑结构，如图1所示。该变换器的原边 为一种五电平结构，副边为传统的全桥电路。
所述五电平双有源变换器包括：第一输入电压Uin、第二输出电压Uout、第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、 第六开关单元SL2、第七开关单元SL3、第八开关单元SL4、第九开关单元S1、第十开关单 元S2、第十一开关单元S3、第十二开关单元S4、第一钳位二极管单元DU1、第二钳位二 极管单元DU2、第三钳位二极管单元DU3、第四钳位二极管单元DU4、第一变压器T、第 一电感Lr、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容CB、第六 电容Co。
图1中，在所述拓扑电路五电平侧标出了1～10，总共10个电路节点，用于辅助描述所设计双有源变换器五电平侧的拓扑特征。
所述第一开关单元SU1第一端与输入电压Uin正极相连，第二端与电路节点④相连；
所述第二开关单元SU2第一端与第二端分别和电路节点④、⑤相连；
所述第三开关单元SU3第一端与第二端分别和电路节点⑤、⑥相连；
所述第四开关单元SU4第一端与第二端分别和电路节点⑥、②相连；
所述第五开关单元SL1第一端与第二端分别和电路节点②、⑦相连；
所述第六开关单元SL2第一端与第二端分别和电路节点⑦、⑧相连；
所述第七开关单元SL3第一端与第二端分别和电路节点⑧、⑨相连；
所述第八开关单元SL4第一端与电路节点⑨相连，第二端与输入电压Uin负极相连；
所述第一电感Lr与第五电容CB串联后，一端与电路节点⑤相连，另一端与第一变压器T原边一端相连；第一变压器T原边另一端与电路节点⑧相连；
所述第一电容C1串接在输入电压Uin正极与电路节点①之间；所述第二电容C2串接在电路节点①和②之间，所述第三电容C3串接在电路节点②和③之间，所述第四电容C4串接在电路节点③和输入电压Uin负极之间。
第一钳位二极管单元DU1按正向导通串接在电路节点①和④之间；第二钳位二极管单 元DU2按正向导通串接在电路节点⑥和①之间；第三钳位二极管单元DU3按正向导通串接在电路节点③和⑦之间；第四钳位二极管单元DU4按正向导通串接在电路节点⑨和③之 间。
本发明双有源变换器的五电平侧，以第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关 单元SU3和第四开关单元SU4组成的上半桥臂为例，分析电路的不同工作模式，如图2所示。开关单元SU1、SU3和开关单元SU2、SU4各自分别互补导通。当开关单元SU1、SU2导 通时，如图2(a)所示，uU＝uC1＝1/4Uin，此时在节点⑤处的电位为Uin；当开关单元SU2、 SU3导通时，如图2(b)所示，uU＝0，此时在节点⑤处的电位为3/4Uin；当开关单元SU3、SU4导通时，如图2(c)所示，uU＝-uC2＝-1/4Uin，此时在节点⑤处的电位为1/2Uin；可以在节点 ⑤处产生Uin，3/4Uin，1/2Uin三个电位。同理，如图2(d)、(e)、(f)所示，对于第五开关 单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3和第八开关单元SL4组成的下半桥臂，在 节点⑧处也可以产生1/2Uin，1/4Uin，0三个电位。因此，在节点⑤与节点⑧之间可以得 到Uin，3/4Uin，1/2Uin，1/4Uin，0五种电平的输入电压。对应上述模式，开关管门极驱 动信号及对应的输出波形，如图3所示。直流电经过双有源变换器五电平侧逆变后，在节 点⑤与节点⑧之间产生高频的交流电，经过起隔直作用的第五电容CB与第一电感Lr后， 在第一变压器T原边侧产生相应的高频交流电，如图1中up所示。假设隔直电容上的电 压为1/2Uin，则在up两端可以得到-1/2Uin，-1/4Uin，0，1/4Uin，1/2Uin五种电平，如图 3所示。变压器原边的高频交流电经过变压器变换后，将能量传输到副边，再由传统的全 桥整流为直流电输出。此处不阐述副边整流的工作状态。
基于所设计的五电平双有源变换器，改变副边的电路结构，可以得到基于五电平结构 的系列拓扑电路，如图4所示。其中，系列拓扑电路1，为一侧采用所提出的五电平结构， 另外一侧采用传统的全桥电路，如图1所示。
当变换器的一侧采用所提出的五电平结构，另外一侧采用传统的半桥电路，得到系列 拓扑电路2,如图4(a)所示。
当变换器的一侧采用所提出的五电平结构，另外一侧采用半桥三电平电路，得到系列 拓扑电路3,如图4(b)所示。
当变换器的一侧采用所提出的五电平结构，另外一侧采用全桥三电平电路，得到系列 拓扑电路4,如图4(c)所示。
当变换器的一侧采用所提出的五电平结构，另外一侧也采用所提出的五电平结构，得 到系列拓扑电路5,如图4(d)所示。

Claims (7)

1.一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：所述拓扑五电平侧包含第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3、第八开关单元SL4、第一钳位二极管单元DU1、第二钳位二极管单元DU2、第三钳位二极管单元DU3、第四钳位二极管单元DU4、第一变压器T、第一电感Lr、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容CB；
其中，第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3、第八开关单元SL4按顺序依次串联后，并联接于输入电源；第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3第四电容C4按顺序依次串联后，同样与输入电源并联；电容C2和C3之间节点与开关SU4和SL1之间的节点相连；
第一钳位二极管单元DU1按正向导通方向，从电容C1和C2之间节点连接到开关SU1和SU2之间的节点；第二钳位二极管单元DU2按正向导通方向，从开关SU3和SU4之间节点连接到电容C1和C2之间的节点；第三钳位二极管单元DU3按正向导通方向，从电容C3和C4之间节点连接到开关SL1和SL2之间的节点；第四钳位二极管单元DU4按正向导通方向，从开关SL3和SL4之间节点连接到电容C3和C4之间的节点；
第一电感Lr和第五电容CB串接后，一端与开关SU2和SU3之间的节点相连，另一端与第一变压器T原边一端相连；第一变压器T原边另一端与开关SL2和SL3之间的节点相连。
2.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：通过控制所述拓扑五电平侧的第一开关单元SU1、第二开关单元SU2、第三开关单元SU3、第四开关单元SU4、第五开关单元SL1、第六开关单元SL2、第七开关单元SL3第及第八开关单元SL4的导通与关断状态，在开关SU2和SU3间节点与开关SL2和SL3间节点之间可以产生五种电平的输入电压。
3.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用传统全桥电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路1。
4.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用传统半桥电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路2。
5.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用半桥三电平电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路3。
6.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及基其系列拓扑电路，其特征在于：在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧采用全桥三电平电路可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路4。
7.根据权利要求1所述一种五电平双有源变换器及其系列拓扑电路，其特征在于：在双有源变换器一侧采用所提五电平结构，在双有源变换器另外一侧也采用所提出的五电平结构可以得到基于五电平双有源变换器的系列拓扑电路5。
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