CN102104333A - 三电平半桥电压平衡变换器 - Google Patents

Abstract

本发明是三电平半桥电压平衡变换器，其特征在于，它包括输入电压源、三电平半桥电路、中间直流环节电路；三电平半桥电路包括：第一功率开关管S₁及并联二极管D₁、第二功率开关管S₂及并联二极管D₂、第三功率开关管S₃及并联二极管D₃、第四功率开关管S₄及并联二极管D₄以及第一续流二极管D₅、第二续流二极管D₆；中间直流环节电路包括：第一电容C₁、第二电容C₂、电感L；一个输入电压源包括：输入电压源U_in。本发明三电平半桥电压平衡变换器将直流微型电网中两根直流线输电方式变成三根直流线输电方式，满足直流电网中不同功率变换器对输入电压的要求。它是三电平半桥结构，有利于采用低压器件。

Description

三电平半桥电压平衡变换器

技术领域

本发明涉及的是一种三电平半桥电压平衡变换器，属电能变换装置中的直流非隔离变换技术。

背景技术

目前，随着环境问题的日益突出和电力电子等技术的迅速发展，基于直流电网(DC Grid)的可再生能源(如太阳能、风能等可再生能源)分布式发电系统得到了越来越多的关注，随着技术的发展必将得到广泛的应用。在直流电网中，通常采用两根直流输电线传送电能，由于只存在一个直流电压，通常无法同时满足各种功率变换器对输入电压的要求。例如，半桥或三电平半桥拓扑结构由于结构简单、功率器件少等优点，而被广泛地采用。但是它们存在输入端直流分压电容不均压问题，这将导致出电压和电流波形畸变或无法很好地实现功率器件三电平状态，影响功率器件安全工作。同时，输出电压相同的半桥逆变器的输入电压约为全桥逆变器输入电压的两倍，需要两种规格的输入电压。

为了解决半桥或三电平半桥拓扑结构功率变换器中输入端直流分压电容均压问题，可以采用额外的输入均压控制方案。但是，随着均压控制环路的加入，控制系统将变得复杂，在一定程度上会影响到最终控制目标的性能，例如输出动态响应速度等性能。同时，不同的负载特性引起输入端不均压的情况也是不同的，所以输入均压控制方案会很繁多，而且不具有通用性。对于输出电压相同的半桥逆变器和全桥逆变器，由于需要两种输入电压规格，两线直流输电方式显然无法同时满足。因此，为了满足各种功率变换器能够直接并入直流电网和减轻功率变换器对输入电压的控制，在直流电网中的用户端利用独立的功率变换器构造一根输出电压平衡的中线，变成三线直流输送方式。当采用带中线的三线直流输电进入家庭，即可以满足低输入电压家用电器要求(例如LED家用照明等)，有可以满足较高输入电压家用电器要求(冰箱、空调等)。这样不但提高了直流电网应用灵活性，而且扩大了其应用范围。

因此，本发明三电平半桥电压平衡变换器电路能够将两线直流输电方式转变成三根直流输电线方式，在输出端构造一个中线，形成一个稳定的、电压等于输入电压一半的中点电压，以满足不同功率变换器或用电设备对输入电压的要求。同时，三电平半桥电压平衡变换器电路将有利于降低电功率器件的电压应力，提高了功率器件的安全性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对采用两根直流线输送直流电能无法同时满足不同变换器或用电设备对输入电压的要求，提供一种结构简单合理、可将两根直流输电线输入方式转变成三根直流输电线输出方式的三电平半桥电压平衡变换器。

本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的：

一种三电平半桥电压平衡变换器，包括一个输入电压源、一个三电平半桥电路、一个中间直流环节电路；三电平半桥电路包括：第一功率开关管、第一续流二极管、第二功率开关管、第二续流二极管、第三功率开关管、第三续流二极管、第四功率开关管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管，第一功率开关管集电极和第一续流二极管阴极相连接，其连接处和第一电容一端相连接，第一功率开关管发射极和第一续流二极管阳极相连接，连接处分别与第二功率开关管集电极与第二续流二极管阴极相连接处以及第五续流二极管阴极相连接，第二功率开关管发射极和第二续流二极管阳极相连接，连接处分别与第三功率开关管集电极和第三续流二极管阴极相连接处以及电感一端相连接，第三功率开关管发射极和第三续流二极管阳极相连接，连接处与第四功率开关管集电极和第四续流二极管阴极相连接处相连接，第四功率开关管发射极和第四续流二极管阳极相连接，连接处和第二电容一端相连接；中间直流环节电路包括：第一电容、第二电容、电感L，其中第一电容另一端与第二电容另一端串联，串联点分别与输出中线、电感另一端、第五续流二极管阳极以及第六续流二极管阴极相连接；输入电压源包括：一个输入电压源，其正端与第一功率开关管集电极和第一续流二极管阴极相连接处相连接，其负端与第四功率开关管发射极和第四续流二极管阳极相连处相连接。

附图说明

附图1是本发明三电平半桥电压平衡变换器电路图。

附图2是本发明三电平半桥电压平衡变换器控制原理图。

附图3是本发明三电平半桥电压平衡变换器工作原理图(电感电流大于零)。

附图4是本发明三电平半桥电压平衡变换器工作原理图(电感电流小于零)。

附图5是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态1和模态9的示意图。

附图6是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态2的示意图。

附图7是本发明三电平半桥电压平衡变换器电路模态3的示意图。

附图8是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态4的示意图。

附图9是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态5的示意图。

附图10是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态6的示意图。

附图11是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态7的示意图。

附图12是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态8的示意图。

附图13是本发明三电平半桥电压平衡变换器仿真电路图。

附图14-17是本发明三电平半桥电压平衡变换器主要仿真波形图。

附图1-17中的符号及元件名称说明如下：

S₁、S₂、S₃、S₄：第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管，D₁、D₂、D₃、D₄：第一功率开关管并联二极管、第二功率开关管并联二极管、第三功率开关管并联二极管、第四功率开关管并联二极管，D₅、D₆：第一续流二极管和第二续流二极管，L：电感，C₁、C₂：第一电容和第二电容，U_out1、U_out2：第一电容输出电压和第二电容输出电压，U_in：输入直流电压，N：降压式电压平衡变换器输出中点，L_N：输出中线，i_L：电感L的电流，U_S1GE：第一功率开关管S₁的驱动信号，U_S2GE：第二功率开关管S₂的驱动信号，U_S3GE：第三功率开关管S₃的驱动信号，U_S4GE：第四功率开关管S₃的驱动信号，U_S1CE：第一功率开关管S₁集电极和发射极之间电压，U_S2CE：第二功率开关管S2集电极和发射极之间电压，U_S3CE：第三功率开关管S₃集电极和发射极之间电压，U_S4CE：第四功率开关管S₃集电极和发射极之间电压，t_d：死区时间，U_bias：偏置电压，U_C2：第二电容C₂上电压，U_ref：输入电压U_in的一半。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1

参照附图1。一种三电平半桥电压平衡变换器电路，其特征在于，它包括一个输入电压源1、一个三电平半桥电路2、一个中间直流环节电路3。

所述的三电平半桥电路2包括：第一功率开关管S₁、第一续流二极管D₁、第二功率开关管S₂、第二续流二极管D₂、第三功率开关管S₃、第三续流二极管D₃、第四功率开关管S₄、第四续流二极管D₄、第五续流二极管D₅和第六续流二极管D₆，第一功率开关管S₁的集电极和第一续流二极管D₁的阴极相连接，其连接点为第一连接点4，第一功率开关管S₁的发射极和第一续流二极管D₁的阳极相连接，其连接点为第二连接点5，第二功率开关管S₂的集电极第二续流二极管D₂的阴极相连接，其连接点为第三连接点6，第二功率开关管S₂的发射极第二续流二极管D₂的阳极相连接，其连接点为第四连接点7，第三功率开关管S₃的集电极第三续流二极管D₃的阴极相连接，其连接点为第五连接点8，第三功率开关管S₃的发射极第三续流二极管D₃的阳极相连接，其连接点为第六连接点9，第四功率开关管S₄的集电极和第四续流二极管D₄的阴极相连接，其连接点为第七连接点10，第四功率开关管S₄的发射极和第四续流二极管D₄的阳极相连接，其连接点为第八连接点11；第一连接点4和第一电容C₁一端相连接，第二连接点5分别和第五续流二极管D₅的阴极以及第三连接点6相连接，第四连接点7分别和第五连接点8以及电感L一端相连接，第六连接点9分别和第七连接点10以及第六续流二极管D₆的阳极相连接，第八连接点11和第二电容C₂一端相连接。

所述的中间直流环节电路3包括：第一电容C₁和第二电容C₂、电感L，其中第一电容C₁另一端与第二电容C₂另一端串联，其串联点为第一串联点12，输出中线L_N和电感L另一端、第五续流二极管D₅的阳极和第六续流二极管D₆的阴极与第一串联点13相连接。

所述的输入电压源1包括：一个输入电压源，其正端和第一连接点(4)相连接，其负端和第八连接点11相连接。

实施例2

参考实例1、附图1、附图2、附图3、附图4以及附图13，三电平半桥电压平衡变换器控制原理基本思路：

(1)当第二电容C₂上的负载R₂小于第一电容C₁上负载R₁时，控制第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂共同导通时间大于第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄共同导通时间。通过电感L向第二电容C₂上的负载R₂提供一部分额外电能，使第二电容C₂上电压U_out2等于第一电容C₁上电压U_out1。

(2)当第二电容C₂上的负载R₂大于第一电容C₁上负载R₁时，控制第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂共同导通时间小于第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄共同导通时间。通过电感L向第一电容C₁上的负载R₁提供一部分额外电能，使第一电容C₁上电压U_out1等于二电容C₂上电压U_out2。

(3)为了实现第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃以及第四功率开关管S₄工作在三电平状态，采取使第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃比第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄提前开通、滞后关断控制技术。

参照附图2，三电平半桥电压平衡变换器控制原理具体实施方式为：取第二电容C₂上输出电压U_out2作为反馈信号，参考信号U_ref为输入电压一半U_in/2，利用电压环调节器控制U_out2等于输入电压的一半即U_out1＝U_out2，从而实现输出电压平衡。电压环调节器的输出信号直接送到比较器2和三角波进行比较，其输出信号一路经死区延迟后直接驱动第一功率开关管S₁，另一路取反后经死区延迟后驱动第三功率开关管S₃；电压环调节器的输出信号和一个固定直流偏置量U_bisa相加，得到的结果直接送到比较器1和三角波进行比较，其输出信号一路经死区延迟后直接驱动第二功率开关管S₂，另一路取反后经死区延迟后驱动第四功率开关管S₄。利用直流偏置量实现第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃分别比第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄提前开通、滞后关断，实现功率开关管三电平工作状态。

实施例3

参照附图2-12。下面仅给出本发明三电平半桥电压平衡变换器电感L电流i_L恒大于零和恒小于零时两种状态下主要波形图见附图3和附图4，其他情况在此忽略。

下面仅以电感L电流i_L恒大于零时的过程加以具体描述(附图3)，其他情况于此类似，在此忽略。具体描述如下：

模态1：0＜t＜t₁(第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂导通，见附图5)

第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂同时导通，利用电感L向第二电容C₂上的负载提供部分电能，电感L电流i_L增加。

模态2：t₁＜t＜t₂(死区时间t_d，第二功率开关管S₂导通，见附图6)

在t₁时刻，关断第一功率开关管S₁。由于电感L电流i_L不能突变，所以电感L电流i_L通过第五续流二极管D₅和第二功率开关管S₂续流。第一功率开关管S₁集电极和发射极之间电压U_S1CE等于第一电容C₁上电压U_out1。第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄没有开通，第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的集电极和发射极之间电压U_S3CE和U_S4CE之和等于第二电容C₂上电压U_out2。

稳态时由于U_out1＝U_out2＝U_in/2，所以第一功率开关管S₁集电极和发射集之间电压U_S1CE为U_in/2，而第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的集电极和发射集之间电压U_S3CE和U_S4CE为U_in/4。

模态3：t₂＜t＜t₃(第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃导通，见附图7)

在t₂时刻，开通第三功率开关管S₃，由于电感L电流i_L不能突变，所以电感L电流i_L继续通过第五续流二极管D₅和第二功率开关管S₂续流。第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄集电极和发射集之间电压U_S1CE和U_S4CE分别等于第一电容C₁上电压U_out1和第二电容C₂上电压U_out2。

稳态时由于U_out1＝U_out2＝U_in/2，所以第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的集电极和发射集之间电压U_S1CE和U_S4CE各为U_in/2。

模态4：t₃＜t＜t₄(死区时间t_d，第三功率开关管S₃导通，见附图8)

在t₃时刻，关断第二功率开关管S₂。由于电感L电流i_L不能突变，所以电感L电流i_L通过第三续流二极管D₃和第四续流二极管D₄向第二电容C₂和其上负载供电。

在此时间段内，由于续流二极管D₃和D₄导通，所以加在第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂上的电压等于输入U_in。由于前一时刻，第一功率开关管S₁的集电极和发射极之间电压U_S1CE为U_in/2，所以第二功率开关管S₂的集电极和发射极之间电压U_S2CE也为U_in/2。

模态5：t₄＜t＜t₅(第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄导通，见附图9)

在t₄时刻，开通第四功率开关管S₄。电感电流i_L仍然通过第三续流二极管D₃和第四续流二极管D₄向第二电容C₂充电。所以第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的集电极和发射极之间电压U_S1CE和U_S2CE仍然各为U_in/2。模态6：t₅＜t＜t₆(死区时间t_d，第三功率开关管S₃导通，见附图10)

在t₅时刻，关断第四功率开关管S₄。电感电流i_L仍然通过第三续流二极管D₃和第四续流二极管D₄向第二电容C₂充电。所以第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的集电极和发射极之间电压U_S1CE和U_S2CE仍然各为U_in/2。

模态7：t₆＜t＜t₇(第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃导通，见附图11)

在t₆时刻，开通第二功率开关管S₂。由于电感电流i_L不能突变，所以电感电流i_L通过第五续流二极管D₅和第二功率开关管S₂续流。第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的集电极和发射极之间电压U_S1CE和U_S2CE仍然各为U_in/2。

模态8：t₇＜t＜t₈(第二功率开关管S₂导通，见附图12)

在t₇时刻，关断第三开关管S₃。电感电流i_L仍然通过第五续流二极管D₅和第二功率开关管S₂续流。第一功率开关管S₁关断集电极和发射极之间电压U_S1CE等于第一电容C₁上电压U_out1，而加在第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄集电极和发射极之间电压和为U_out2。在t₆＜t＜t₇内，第四功率开关管S₄集电极和发射极之间电压U_S4CE等于第二电容C₂上电压U_out2，所以在该时间段内，由于第四功率开关管S₄集电极和发射极之间结电容存在以及其上电压没有放电回路，所以第三功率开关管S₃集电极和发射极之间电压U_S3CE等于0。

在稳态时由于U_out1＝U_out2＝U_in/2，所以第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的电压应力为U_in/2。

模态9：t₈＜t＜t₉(第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂导通，见附图5)

在t₈时刻，开通第一功率开关管S₁。由于第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂导通，第一电容C₁多余电能向电感L上转移，电感电流i_L增加。

在此时间段内，由于第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂同时导通，，所以加在第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄上的电压等于输入U_in。由于前一时刻，第四功率开关管S₄电压应力为U_in/2，所以第三功率开关管S₃电压应力也为U_in/2。

下面又进入模态1过程。其他工作过程在此略述。

实施例4

参照附图13-17。用实施例1所述的三电平半桥电压平衡变换器所做的主要仿真，三电平半桥电压平衡变换器仿真电路图如附图13所示。

附图13中仿真参数：功率开关管的工作频率为25KHz，输入电压U_in在70ms时从600V线性增加到700V，电感L为200μH，第一电容C₁、第二电容C₂分别为1000μF，第一电容C₁上阻性负载R₁，第二电容C₂上阻性负载R₂。

在附图14和附图15中，R₁＝10Ω，R₂＝10KΩ。从电感电流i_L、第二电容电压U_out2以及输入电压U_in关系中，可以看出：由于R₂＞R₁并且两者相差很大，所以电感L电流在开关周期内恒为负，即通过电感L对第一电容C₁充电，电压上升，第二电容C₂电压降低，从而达到两个电压相等。从电压变化过程中，三电平降压式电压平衡变换器的输出电压U_out1(U_out1＝U_in-U_out2)等于输出电压U_out2，很好地得到了一个中点电压，实现了输出电压平衡。同时也可以看出，每个功率开关管的电压应力只有输入电压的一半。

在附图16和附图17中，R₁＝10KΩ，R₂＝10Ω。从电感电流i_L、第二电容电压U_out2以及输入电压U_in关系中，可以看出：由于R₂＜R₁并且两者相差很大，所以电感L电流在开关周期内恒为正，即通过电感L对第二电容C₂充电，电压上升，第一电容C₁电压降低，从而达到两个电压相等。在输入电压变化过程中，三电平降压式电压平衡变换器的输出电压U_out1(U_out1＝U_in-U_out2)等于输出电压U_out2，很好地得到了一个中点电压，实现了输出电压平衡。同时也可以看出，每个功率开关管的电压应力也只有输入电压的一半。

从仿真结果表明：三电平半桥电压平衡变换器能够获得一个稳定的中点输出电压，从而可以构造一个中线；同时每个功率开关管的电压应力也只有输入电压的一半。

Claims (1)

1.一种三电平半桥电压平衡变换器，包括一个输入直流电压源(1)、一个三电平半桥电路(2)、一个中间直流环节电路(3)，其特征在于：三电平半桥电路(2)包括：第一功率开关管S₁、第一续流二极管D₁、第二功率开关管S₂、第二续流二极管D₂、第三功率开关管S₃、第三续流二极管D₃、第四功率开关管S₄、第四续流二极管D₄、第五续流二极管D₅和第六续流二极管D₆，其中第一功率开关管S₁的集电极和第一续流二极管D₁的阴极相连接，其连接点为第一连接点(4)，第一功率开关管S₁的发射极和第一续流二极管D₁的阳极相连接，其连接点为第二连接点(5)，第二功率开关管S₂的集电极第二续流二极管D₂的阴极相连接，其连接点为第三连接点(6)，第二功率开关管S₂的发射极第二续流二极管D₂的阳极相连接，其连接点为第四连接点(7)，第三功率开关管S₃的集电极第三续流二极管D₃的阴极相连接，其连接点为第五连接点(8)，第三功率开关管S₃的发射极第三续流二极管D₃的阳极相连接，其连接点为第六连接点(9)，第四功率开关管S₄的集电极和第四续流二极管D₄的阴极相连接，其连接点为第七连接点(10)，第四功率开关管S₄的发射极和第四续流二极管D₄的阳极相连接，其连接点为第八连接点(11)；中间直流环节电路(3)包括：第一电容C₁、第二电容C₂和电感L，其中第一电容C₁一端与第二电容C₂一端串联，其串联点为第一串联点(12)，输出中线L_N、电感L一端、第五续流二极管D₅的阳极和第六续流二极管D₆的阴极分别与第一串联点(12)相连接；输入直流电压源(1)包括：一个输入电压源U_in，其正端和第一连接点(4)相连接，其负端和第八连接点(11)相连接；第一连接点(4)和第一电容C₁另一端相连接，第二连接点(5)分别和第五续流二极管D₅的阴极以及第三连接点(6)相连接，第四连接点(7)分别和第五连接点(8)以及电感L另一端相连接，第六连接点(9)分别和第七连接点(10)以及第六续流二极管D₆的阳极相连接，第八连接点(11)和第二电容C₂另一端相连接。

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