一種Boost型三相三電平直流變換器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種Boost型三相三電平直流變換器，包括依次連接的直流源、三相三電平逆變器、三相隔離變壓器及整流濾波電路，三相三電平逆變器由半橋三電平單元和全橋單元組合而成，兩個單元共用半橋三電平單元中三電平逆變橋臂中間的兩只開關(guān)管，在直流源與三電平逆變橋臂中點A之間還接有Boost電感。該直流變換器采用的三電平結(jié)構(gòu)，可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，適用于中高壓輸入場合；采用的三相結(jié)構(gòu)，可降低開關(guān)管的電流應(yīng)力與功率定額，無需外加諧振元件即能實現(xiàn)部分開關(guān)管的零電壓開關(guān)，變換器具有高效率；在直流源和三電平逆變橋臂中點之間加入了Boost電感，使得輸入電流連續(xù)，適用于電流脈動要求較小的應(yīng)用場合。
【專利說明】—種Boost型三相三電平直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于變換器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種Boost型三相三電平直流變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的日益緊缺和環(huán)境污染的日益嚴峻，可再生能源正受到越來越廣泛的關(guān)注。其中，燃料電池以其清潔、高效的特點而得到快速發(fā)展。燃料電池是一個電流控制型電壓源，要求輸出電流脈動小，因此應(yīng)用于燃料電池供電系統(tǒng)的變換器需采用電流型變換器。傳統(tǒng)的單相電流型直流變換器，如推挽、半橋和全橋變換器，隨著功率等級的增加，開關(guān)管的功率定額會隨之增大，從而限制了變換器的應(yīng)用。
[0003]三相型直流變換器可以通過增加變壓器的相數(shù)來降低開關(guān)管的電流定額，使之適用于大功率場合；而三電平變換器可以通過增加開關(guān)管的數(shù)量來降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，使之適用于高輸入電壓場合。三相三電平直流變換器兼有三相結(jié)構(gòu)和三電平結(jié)構(gòu)，具有三電平直流變換器電壓應(yīng)力小和三相型直流變換器電流定額小的優(yōu)點，但是它的輸入電流斷續(xù)，并不適用于燃料電池供電系統(tǒng)場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問題是提供一種Boost型三相三電平直流變換器及其控制方法，該變換器能夠使得輸入電流連續(xù)。
[0005]本發(fā)明公開的一種Boost型三相三電平直流變換器，包括依次連接的輸入單元、三相三電平逆變器、三相隔離變壓器及整流濾波電路，三相三電平逆變器由半橋三電平單元和全橋單元組合而成，兩個單元共用半橋三電平單元中三電平逆變橋臂中間的兩只開關(guān)管。所述直流變換器輸入單元包括直流源與Boost電感，該Boost電感接在直流源與三電平逆變橋臂中點A之間。該三電平逆變橋臂為半橋三電平單元和全橋單元共用的橋臂。
[0006]作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述三相三電平逆變器包括第一和第二輸入分壓電容第一和第二續(xù)流二極管飛跨電容及第一、第二、第三、第四、第五和第六開關(guān)管；其中，由第一和第二續(xù)流二極管飛跨電容及第一、第三、第四和第六開關(guān)管組成半橋三電平單元，由第一、第二、第四和第五開關(guān)管組成全橋單元。所述三相隔離變壓器的原邊繞組采用三角形連接方式，三個輸出端分別連接于三電平逆變橋臂的中點W、第一、第二輸入分壓電容之間的中點和全橋單元另外一組橋臂的中點C ;其副邊繞組采用星形連接方式，三個同名端分別連接于副邊整流橋各組橋臂的中點，三個異名端連接在一起；整流濾波電路4采用三相橋式整流電路和單電容濾波電路。
[0007]所述Boost型三相三電平直流變換器的控制方法:本發(fā)明的Boost型三相三電平直流變換器每組橋臂的兩個開關(guān)管互補導通，相鄰橋臂上管開通時間相隔三分之一開關(guān)周期，由于每組橋臂的兩個開關(guān)管占空比不相等，因此定義為不對稱控制方式。橋臂上管占空比的范圍為0-1/3，即不考慮兩個上管同時導通的情況。[0008]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要特點是:采用三電平結(jié)構(gòu)，可降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，適用于中高壓輸入場合；采用三相結(jié)構(gòu)，可降低開關(guān)管的電流應(yīng)力及功率定額，無需外加諧振元件即能實現(xiàn)部分開關(guān)管的零電壓開關(guān)，變換器具有高效率；在直流源和三電平逆變橋臂中點之間加入了 Boost電感，使得輸入電流連續(xù)，適用于電流脈動要求較小的應(yīng)用場合。
[0009]【專利附圖】

【附圖說明】
附圖1是本發(fā)明的Boost型三相三電平直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2是Boost型三相三電平直流變換器的主要波形示意圖；
附圖3-16是各開關(guān)模態(tài)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]上述附圖中的主要符號名稱:輸入直流電壓；&、Cd2:輸入分壓電容必~Qf1:開關(guān)管K1~G:開關(guān)管寄生電容'D1~凡:開關(guān)管體二極管H:續(xù)流二極管Kss.?飛跨電容'Tra、Trb, Trc:三相隔離變壓器的J相、沒相和C相'Llka、Llkb, Llkc:隔離變壓器原邊寄生漏感xDRl~Dm:副邊整流二極管'L =Boost電感'Cf:輸出濾波電容-'Ru:負載;vM:A與沒兩點間電壓，vAC d與C兩點間電壓，化J與C兩點間電壓；Kij:輸出電壓;iA、iB、ic:流出J點、B點和Cr點的電流\ipa、Ipb.、Ipc:隔尚變壓器乂相、沒相和Cr相的原邊電流\isa、isb.、isc:隔尚變壓器J相、沒相和C相的副邊電流。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種Boost型三相三電平直流變換器及其控制方法進行詳細說明。
[0012]如圖1所示，本發(fā)明的Boost型三相三電平直流變換器，包括依次連接的輸入單元
1、三相三電平逆變器2、三相隔離變壓器3及整流濾波電路4。輸入單元I包括直流源Vjll以及Boost電感，該Boost電感接在直流源與三電平逆變橋臂中點J之間，該三電平逆變橋臂為半橋三電平單元和全橋單元共用的橋臂。所述三相隔離變壓器3的原邊繞組采用三角形連接方式，三個輸出端分別連接于三電平逆變橋臂的中點、兩只輸入分壓電容的中點和全橋單元另外一組橋臂的中點(即非與半橋三電平單元共用的那組橋臂)；其副邊繞組采用星形連接方式，三個同名端分別連接于副邊整流橋各組橋臂的中點，三個異名端連接在一起；整流濾波電路4采用三相橋式整流電路。
[0013]所述三相三電平逆變器2包括第一和第二分壓電容Qp Cd2,第一和第二續(xù)流二極管H飛跨電容Css及第一、第二、第三、第四、第五和第六開關(guān)管0、Q2,知仏。其中，由第一和第二續(xù)流二極管化、飛跨電容Gs及第一、第三、第四和第六開關(guān)管0、(h、‘弘組成半橋三電平單元，由第一、第二、第四和第五開關(guān)管0、％、‘仏組成全橋單元。兩個單元共用半橋三電平單元中三電平逆變橋臂中間的兩只開關(guān)管仏和仏。第一分壓電容Cdl的一端與第六開關(guān)管漏極的連接點構(gòu)成直流母線的正極，第二分壓電容與G2的一端與第三開關(guān)管源極的連接點構(gòu)成直流母線的負極。第六開關(guān)管仏的源極分別連接第一續(xù)流二極管A1的陰極、飛跨電容Gs的一端、第一開關(guān)管0的漏極和第五開關(guān)管込的漏極，第三開關(guān)管(h的漏極分別連接第二續(xù)流二極管仏的陽極、飛跨電容Gs的另一端、第四開關(guān)管A的源極和第 二開關(guān)管仏的源極，第一續(xù)流二極管A1陽極與第二續(xù)流二極管化陰極的連接點連接第一分壓電容G1另一端與第二分壓電容仏2另一端的連接點。所述三相隔離變壓器4是由J相、i?相和C相變壓器Tra、Trb, Trc組成J相變壓器Tra原邊繞組的同名端通過J相變壓器原邊寄生漏感Z7i3分別連接C相變壓器Trc原邊繞組的異名端及第一開關(guān)管0源極與第四開關(guān)管A漏極的連接點，i?相變壓器Trt原邊繞組的同名端通過A相變壓器原邊寄生漏感Zma分別連接^相變壓器Tra原邊繞組的異名端及第一續(xù)流二極管A1陽極與第二續(xù)流二極管化陰極的連接點，C相變壓器Trc原邊繞組的同名端通過C相變壓器原邊寄生漏感Llkc分別連接A相變壓器Trb原邊繞組的異名端及第五開關(guān)管G5源極與第二開關(guān)管Q2漏極的連接點。4相、沒相及(相變壓器7；3、7^、7?副邊繞組的異名端相互連接。所述整流濾波電路4包括第一至第六整流二極管仏、Dr2, Dr,, D階Dr5, Dm及濾波電容Cf,第一整流二極管Dri陽極與第二整流二極管^陰極的連接點連接^相變壓器7；3副邊繞組的同名端，第三整流二極管A3陽極與第四整流二極管凡4陰極的連接點連接A相變壓器Ta副邊繞組的同名端，第五整流二極管凡5陽極與第六整流二極管凡6陰極的連接點連接C相變壓器Trc副邊繞組的同名端，第一、第三和第五整流二極管的陰極相互連接并連接濾波電容G的一端及負載的一端，第二、第四和第六整流二極管D階Dm的陽極相互連接并連接濾波電容G的另一端及負載的另一端。
[0014]在本發(fā)明變換器中，第一和第二分壓電容Gp Cd2的容量很大且相等，兩者的電壓均為直流母線電壓的一半，即兩個分壓電容均可看作電壓為Vbus/2的電壓源。第一至第六開關(guān)管均為帶有體二極管和寄生電容的功率開關(guān)器件。
[0015]本發(fā)明變換器的控制方法如下:第一開關(guān)管0和第四開關(guān)管A互補導通，第二開關(guān)管込和第五開關(guān)管仏互補導通，第三開關(guān)管Qz和第六開關(guān)管仏互補導通，第一開關(guān)管仏、第三開關(guān)管込和第五開關(guān)管込的導通時間相同，其依次相隔三分之一開關(guān)周期開通關(guān)斷，占空比的范圍為0-1/3。 由于每組橋臂的兩個開關(guān)管占空比不相等，因此定義為不對稱控制方式。
[0016]由于變換器穩(wěn)態(tài)工作點或變換器自身參數(shù)的不同，變換器的工作情況也存在差異。為簡單起見，本說明書僅針對其中一種工作情況進行分析。由附圖2可知該變換器在一個開關(guān)周期有14種開關(guān)模態(tài)。下面結(jié)合圖3~圖16對本發(fā)明變換器的一種工作情況的整個開關(guān)周期內(nèi)各開關(guān)模態(tài)進行具體分析。
[0017]在分析之前，作如下假設(shè):1、Boost電感Z的值足夠大，將其與輸入源一起等效為一個電流值為/z的電流源；2、分壓電容和輸出濾波電容的值足夠大，將其分別等效為三個電壓源；3、飛跨電容Qs兩端的電壓為近似恒定值Ka?/2 ;4、所有器件均為理想器件；5、所有硬開關(guān)過程在瞬間完成。
[0018]1.開關(guān)模態(tài)I [?。以前]
如附圖3所示，t0時刻以前，Q2,仏、Q6導通，但知Q6流過電流為零。D;Dm全部截止，Dfl截止，仏導通，Css被箝位在Vbu/2。變壓器原邊不向副邊傳遞能量。
[0019]2.開關(guān)模態(tài) 2 [ifij
如附圖4所示，t0時刻，Qi關(guān)斷，的存在使得仏兩端電壓不能突變，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。此時，C1開始放電，C4開始充電。Css的電壓被箝位在A1截止，化導通，Dri~Dr&截止，C1和C4的充放電電流由Il來提供。&時刻，結(jié)電容C11兩端電壓放電至O，該模態(tài)結(jié)束。
[0020]3.開關(guān)模態(tài) 3 [iri2]如附圖5所示，tx時刻，D1導通。此時開通Q1實現(xiàn)零電壓開通。νΑβ= Vbus/2’ Vbc=Q ；vCA= — Vbu/2。在該模態(tài)中，仏、Dm導通，Dfl截止，Df2導通，Css被箝位在Vbu/2。變壓器J相電流正向上升，沒相電流為零，C相電流反向下降。到t2時刻關(guān)斷d相電流上升到最大值，該模態(tài)結(jié)束。
[0021]4.開關(guān)模態(tài) 4 [?2_?3]
如附圖6所示，t2時刻，的存在使得0兩端電壓不能突變，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。此時，C11開始充電，C14開始放電，電路進入諧振狀態(tài)，參與諧振的元件為G G Llka, Llkc0在該模態(tài)中，Dri, Dm導通，Dfl截止，4導通，Css被箝位在匕?/2，變壓器J相電流諧振下降，沒相電流為零，C相電流諧振上升。當結(jié)電容C4兩端電壓諧振到O時，該模態(tài)結(jié)束。
[0022]5.開關(guān)模態(tài) 5[?3_?4]
如附圖7所示，?3時亥lj，A導通，諧振過程結(jié)束，A實現(xiàn)了零電壓開通。此時在該模態(tài)中，Drv Dm導通,Dfl截止,Df2導通，Css被箝位在Vbus/2。變壓器原邊J相電流正向下降，i?相電流為零，C相電流反向上升。到U時刻，變壓器J相電流下降至零,DR1、Dm自然截止，該模態(tài)結(jié)束。
[0023]6.開關(guān)模態(tài) 6 [?4-?5]
如附圖8所示，在該模態(tài)中，凡廣凡6全部截止，A1截止，化導通。原邊不再向副邊傳遞能量。此時變壓器漏感電壓、原副邊電壓均為零。到(5時刻，％開通，該模態(tài)結(jié)束。
[0024]7.開關(guān)模態(tài) 7 [?5-?6]
如附圖9所示，t5時刻，込硬開通開始導通,仏因承受反壓而截止,Crss上端的電位下降，A1導通，Css開始充電，當電位高于D后，I?n截止。此時Vab= — Vbu/2，vBC=Vbus/2 ；化二0。變壓器原邊X相電流反向下降，沒相電流正向上升，C相電流為零。到?6時亥關(guān)斷，沒相電流上升到最大值，該模態(tài)結(jié)束。
[0025]8.開關(guān)模態(tài) 8 [?6-?7]
如附圖10所示，?6時刻，込關(guān)斷，G的存在使得込兩端電壓不能突變，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。此時，Cs開始充電，C&開始放電，電路進入諧振狀態(tài)，參與諧振的元件為Cp C,, Llka和Lmo在該模態(tài)中，Dn、Ds,導通，Df2截止，Css兩端的電壓近似為Vbu/2，變壓器J相電流諧振上升，S相電流諧振下降，C相電流為零。?7時刻，結(jié)電容C6兩端電壓諧振到0，該模態(tài)結(jié)束。
[0026]9.開關(guān)模態(tài) 9 [?7-?8]
如附圖11所示，?7時亥ILA5導通，諧振過程結(jié)束，仏實現(xiàn)了零電壓開通。此時在該模態(tài)中，Dr2^ Dia仍然導通,Dfl截止,Css兩端電壓下降到Vbu/2時,4導通。變壓器原邊J相電流反向上升，沒相電流正向下降，C相電流為零。到&時刻，沒相電流下降至零，久ra、Ara自然截止，該模態(tài)結(jié)束。
[0027]10.開關(guān)模態(tài) 10 [?8-?9]
如附圖12所示，在該模態(tài)中，DrCDr,全部截止，Dfv Dn截止。原邊不再向副邊傳遞能量。此時變壓器漏感電壓、原副邊電壓均為零。找時刻，込開通，該模態(tài)結(jié)束。
[0028]11.開關(guān)模態(tài) 11 [?9_?10]
如附圖13所示，t9時刻,硬開通，凡4、Dr5開始導通,Ap Dp2截止。此時1^=0，Vbc=—D ;vCA= VV2。變壓器原邊J相電流為零，沒相電流反向下降，C1相電流正向上升。到i1Q時刻，關(guān)斷05，C相電流上升到正向最大值，該模態(tài)結(jié)束。
[0029]12.開關(guān)模態(tài) 12 [?10-?η]
如附圖14所示，?1(ι時刻，C5的存在使得込兩端電壓不能突變，從而實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。此時，C5開始充電，C2開始放電，電路進入諧振狀態(tài)，參與諧振的元件為C2、Llkb和在該模態(tài)中，凡4、^導通，4截止，4導通，變壓器原邊J相電流為零，沒相電流諧振下降，C相電流諧振上升。~時刻，結(jié)電容C2兩端電壓諧振到0，該模態(tài)結(jié)束。
[0030]13.開關(guān)模態(tài) 13[?η-?12]
如附圖15所示，?η時亥lj，久導通，諧振過程結(jié)束，込實現(xiàn)了零電壓開通。此時VmHca=O0在該模態(tài)中為4、仍然導通，辦截止，仏導通。變壓器原邊J相電流為零，沒相電流反向上升，C相電流正向下降。到?12時刻，C相電流下降至零，Am、Ara自然截止，該模態(tài)結(jié)束。
[0031]14.開關(guān)模態(tài)14[?12以后]
如附圖16所示，回到初始模態(tài)。
[0032]本發(fā)明的一個具體實例如下:輸入直流源電壓匕=240V ;輸出直流電壓l=42V ；輸出電流厶=24A ;三相變壓器副、原邊變比左=4:34 ；Boost電感Ζ=1200 μ H ;輸出濾波電容6>=2000uF ;開關(guān)管仏采用IPW60R125C6 ;續(xù)流二極管Ap 4采用ISL9R3060G2 ;副邊整i二機 Ds1-Dsfi 采用 STPS40H100CW ;開關(guān)頻率/s=50kHz。
[0033]由以上描述可知，本發(fā)明提出的Boost型三相三電平直流變換器具有如下優(yōu)點:
1.三電平結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，適用于中高壓輸入場合；
2.三相結(jié)構(gòu)可以降低開關(guān)管的功率定額，適用于大功率應(yīng)用場合；
3.無需外加諧振元件即能實現(xiàn)部分開關(guān)管的零電壓開關(guān)；
4.輸入側(cè)為電感，因此輸入電流連續(xù)，適用于電流脈動要求較小的應(yīng)用場合。
[0034] 本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種Boost型三相三電平直流變換器，包括依次連接的輸入單元(I)、三相三電平逆變器(2)、三相隔離變壓器(3)及整流濾波電路(4)，三相三電平逆變器(2)由半橋三電平單元和全橋單元組合而成，兩個單元共用半橋三電平單元中三電平逆變橋臂中間的兩只開關(guān)管，其特征在于:所述輸入單元(I)包括Boost電感,該Boost電感接在直流源與三電平逆變橋臂中點J之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Boost型三相三電平直流變換器，其特征在于:所述三相三電平逆變器(2)包括第一和第二輸入分壓電容Q1、仏2、第一和第二續(xù)流二極管/^、仏、飛跨電容G及第一、第二、第三、第四、第五和第六開關(guān)管0、Q2,知Qi, Q5, Q6 ;其中，由第一和第二續(xù)流二極管Df2,飛跨電容Css及第一、第三、第四和第六開關(guān)管0、％、仏、Q6組成半橋三電平單元，由第一、第二、第四和第五開關(guān)管0、％、仏、％組成全橋單元；三相隔離變壓器3的原邊繞組采用三角形連接方式，三個輸出端分別連接于三電平逆變橋臂的中點I第一、第二輸入分壓電容Cd2之間的中點A和全橋單元另外一組橋臂的中點C,.其副邊繞組采用星形連接方式，三個同名端分別連接于副邊整流橋各組橋臂的中點，三個異名端連接在一起；整流濾波電路(4)采用三相橋式整流電路和單電容濾波電路。
3.權(quán)利要求1或2所述的Boost型三相三電平直流變換器的控制方法，其特征在于:采用不對稱控制方式，每組橋臂的兩個開關(guān)管互補導通，相鄰橋臂上管開通時間相隔三分之一開關(guān)周期，橋臂上管占空比的范圍為0-1/3。
【文檔編號】H02M3/335GK104022653SQ201410241046
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】陳旭玲, 劉福鑫 申請人:南京航空航天大學