CN106357121B - 一种基于耦合电抗的三相串联dcdc电路 - Google Patents

一种基于耦合电抗的三相串联dcdc电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，所述电路包括：串联的母线电容C1、C2，多相IGBT桥臂，所述三相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联；多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。为了解决交错工作时的母线平衡问题，本发明采用耦合电抗，替代上下桥臂的电抗，使得母线能够自动均压；相比采用独立电抗，其优点在于，电感由2个变为1个，总体体积变小，成本较低；在多相交错工作时，耦合电抗可以自动均衡母线电压。

Description

一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路。
背景技术
在电压较高的场合，采用常见的半桥拓扑结构，需要选用高耐压的开关器件，成本较高，开关频率较低，开关损耗高。为改善这些问题，可采用三电平结构和串联结构。
在直流应用时，三电平结构可以采用飞跨电容方式，但飞跨的“电容”电流应力较大，开关器件布线布局不易，可能导致应力较高。采用串联结构时，可以使用两组独立的DC-DC串联，布局容易，但在多相交错工作时，存在母线平衡的问题。
在不采用耦合电抗时，如图1，主要由于以下2个原因，容易导致母线不平衡：
1)实际占空比不同(驱动延时，IGBT开关速度差异)，导致流经正负母线的电流时间出现差异；
2)电抗的误差(8％～25％)及IGBT压降不同，使各个电抗的电流不同，必须采用均流措施调节占空比，最终结果是使IGBT占空比不同。
发明内容
基于此，本发明提供了一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路。
一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，所述电路包括：
串联的母线电容C1、C2；
多相IGBT桥臂，所述三相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联；
多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
串联的电阻R1、R2，其中，所述电阻R1与所述母线电容C1连接，所述电阻R2与所述母线电容C2连接。
在其中一个实施例中，所述多相IGBT桥臂包括：
第一IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q7、IGBT管Q8；
第二IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q3、IGBT管Q4、IGBT管Q9、IGBT管Q10；
第三IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q5、IGBT管Q6、IGBT管Q11、IGBT管Q12。
在其中一个实施例中，所述多组耦合电抗包括：
第一耦合电抗L1，所述第一耦合电抗L1的一端连接所述IGBT管Q5，另一端连接IGBT管Q11；
第二耦合电抗L2，所述第二耦合电抗L2的一端连接所述IGBT管Q3，另一端连接IGBT管Q9；
第三耦合电抗L3，所述第三耦合电抗L3的一端连接所述IGBT管Q2，另一端连接IGBT管Q8。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
第一电流传感器ISEN，与所述第一耦合电抗L1串联；
第二电流传感器ISEN，与所述第二耦合电抗L1串联；
第三电流传感器ISEN，与所述第三耦合电抗L1串联。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
母线电容C3，所述母线电容C3连接所述第一电流传感器ISEN、第二电流传感器ISEN和第三电流传感器ISEN。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q1与Q2，Q3与Q4，Q5与Q6，Q7与Q8，Q9与Q10，Q11与Q12分别互补工作。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q1与Q8，Q3与Q10，Q5与Q12驱动分别相同，相位错开120度。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q2与Q7，Q4与Q9，Q6与Q11驱动也分别相同，相位错开120度。
有益效果：
本发明提供一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，所述电路包括：串联的母线电容C1、C2，多相IGBT桥臂，所述三相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联；多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。为了解决交错工作时的母线平衡问题，本发明采用耦合电抗，替代上下桥臂的电抗，使得母线能够自动均压；相比采用独立电抗，其优点在于，电感由2个变为1个，总体体积变小，成本较低；在多相交错工作时，耦合电抗可以自动均衡母线电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明运行原理和使用的技术方案，下面将对运行原理和使用的技术中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些运行例子，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术的采用普通电抗的三相串联DCDC电路的电路原理图。
图2是本发明的一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路的电路原理图。
图3是本发明的基于耦合电抗的三相串联的DCDC电路的电路原理图。
图4为本发明的一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路的驱动时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明运行原理中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，所述电路包括：
串联的母线电容C1、C2；
多相IGBT桥臂，所述三相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联；
多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
串联的电阻R1、R2，其中，所述电阻R1与所述母线电容C1连接，所述电阻R2与所述母线电容C2连接。
在其中一个实施例中，所述多相IGBT桥臂包括：
第一IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q7、IGBT管Q8；
第二IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q3、IGBT管Q4、IGBT管Q9、IGBT管Q10；
第三IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q5、IGBT管Q6、IGBT管Q11、IGBT管Q12。
在其中一个实施例中，所述多组耦合电抗包括：
第一耦合电抗L1，所述第一耦合电抗L1的一端连接所述IGBT管Q5，另一端连接IGBT管Q11；
第二耦合电抗L2，所述第二耦合电抗L2的一端连接所述IGBT管Q3，另一端连接IGBT管Q9；
第三耦合电抗L3，所述第三耦合电抗L3的一端连接所述IGBT管Q2，另一端连接IGBT管Q8。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
第一电流传感器ISEN，与所述第一耦合电抗L1串联；
第二电流传感器ISEN，与所述第二耦合电抗L1串联；
第三电流传感器ISEN，与所述第三耦合电抗L1串联。
在其中一个实施例中，所述电路还包括：
母线电容C3，所述母线电容C3连接所述第一电流传感器ISEN、第二电流传感器ISEN和第三电流传感器ISEN。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q1与Q2，Q3与Q4，Q5与Q6，Q7与Q8，Q9与Q10，Q11与Q12分别互补工作。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q1与Q8，Q3与Q10，Q5与Q12驱动分别相同，相位错开120度。
在其中一个实施例中，所述IGBT管Q2与Q7，Q4与Q9，Q6与Q11驱动也分别相同，相位错开120度。
在传统的三相串联DC-DC拓扑的组成中，其电路包含母线电容C1，C2；IGBT组成的桥臂，Q1～Q12(与正负母线相连的IGBT称为外管，其他的IGBT称为内管)；电流传感器ISNS1～ISENS6；输出电容C3。
交错时，其拓扑的驱动波形如下：
1)Q1与Q2，Q3与Q4，Q5与Q6，Q7与Q8，Q9与Q10，Q11与Q12，分别互补工作；
2)Q1与Q8，Q3与Q10，Q5与Q12驱动分别相同，相位错开120度，实现交错；同样的，Q2与Q7，Q4与Q9，Q6与Q11驱动也分别相同，相位错开120度，实现交错；
在不采用耦合电抗时，主要由于以下2个原因，容易导致母线不平衡：
1)实际占空比不同(驱动延时，IGBT开关速度差异)，导致流经正负母线的电流时间出现差异；
2)电抗的误差(8％～25％)及IGBT压降不同，使各个电抗的电流不同，必须采用均流措施调节占空比，最终结果是使IGBT占空比不同；
在采用耦合电抗时，L1代表了实际起了两个电抗的作用。由于L1，L2，L3分别在同一磁芯上制作，两个绕组的分别的电感量可以认为是精确相等的，但其绝对值的误差仍存在。这样，在理想占空比情况下，可以保证流过Q5与Q6，Q11与Q12，两对桥臂的电流是一致的，这就避免了一个造成母线不平衡的因数。
另外各IGBT开关时，会形成如下两种电路的状态，如图3所示。左边为外管开通，内管关断，由于耦合电抗上下变比为精确的1：1的耦合关系，可以得到输出电压的一半所在电位Vb/2，应为Va的一半，即Va/2。右边为外管关断，内管开通，同样通过耦合电抗变比为1：1的耦合关系，可以得到输出电压的一半所在电位Vb/2，与节点Vmid等电位(通过IGBT及耦合电抗的绕组漏感相连)。
例如图4，在“均压区域”，Q12，Q5驱动有效，Q1，Q8，Q10，Q3均无效，其另外一边的管子开通，考虑到整个拓扑的输出端是相连的，若出现母线不平衡，即Vmid不为Va/2，则会有电荷从Q12，Q5及耦合电抗，所形成的虚拟中点Va/2，通过另外的桥臂及耦合电抗，转移到母线中点Vmid，从而实现母线平衡。
由以上分析可知：
1)其平衡能力，取决于耦合电抗的绕组漏感，及当时的外管占空比。
2)至少需要2相电路交错工作，才能形成平衡母线的回路。
本发明提供一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，所述电路包括：串联的母线电容C1、C2，多相IGBT桥臂，所述三相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联；多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。为了解决交错工作时的母线平衡问题，本发明采用耦合电抗，替代上下桥臂的电抗，使得母线能够自动均压；相比采用独立电抗，其优点在于，电感由2个变为1个，总体体积变小，成本较低；在多相交错工作时，耦合电抗可以自动均衡母线电压。
以上对本发明运行原理进行了详细介绍，上述运行原理的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于耦合电抗的三相串联DCDC电路，其特征在于，所述电路包括：
串联的母线电容C1、C2；
多相IGBT桥臂，所述多相IGBT桥臂分别与所述母线电容C1、C2的一端连接，同时，所述多相IGBT桥臂依次相互并联且至少2相交错工作；
多组耦合电抗，所述多组耦合电抗分别与所述多相IGBT桥臂交错连接。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
串联的电阻R1、R2，其中，所述电阻R1与所述母线电容C1连接，所述电阻R2与所述母线电容C2连接。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述多相IGBT桥臂包括：
第一IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q1、IGBT管Q2、IGBT管Q7、IGBT管Q8；
第二IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q3、IGBT管Q4、IGBT管Q9、IGBT管Q10；
第三IGBT桥臂，包括依次串联的IGBT管Q5、IGBT管Q6、IGBT管Q11、IGBT管Q12。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述多组耦合电抗包括：
第一耦合电抗L1，所述第一耦合电抗L1的第一非同名端连接所述IGBT管Q5和IGBT管Q6之间，所述第一耦合电抗L1的第一同名端连接IGBT管Q11和IGBT管Q12之间；
第二耦合电抗L2，所述第二耦合电抗L2的第一非同名端连接所述IGBT管Q3和IGBT管Q4之间，所述第二耦合电抗L2的第一同名端连接IGBT管Q9和IGBT管Q10之间；
第三耦合电抗L3，所述第三耦合电抗L3的第一非同名端连接所述IGBT管Q1和IGBT管Q2之间，所述第三耦合电抗L3的第一同名端连接IGBT管Q7和IGBT管Q8之间。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
两个第一电流传感器，分别与所述第一耦合电抗L1的第二同名端和第二非同名端连接；
两个第二电流传感器，分别与所述第二耦合电抗L2的第二同名端和第二非同名端连接；
两个第三电流传感器，分别与所述第三耦合电抗L3的第二同名端和第二非同名端连接。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述电路还包括：
母线电容C3，其中，第一个第一电流传感器、第一个第二电流传感器、第一个第三电流传感器的第一端分别一一对应的连接第一耦合电抗L1、第二耦合电抗L2、第三耦合电抗L3的第二同名端，第一个第一电流传感器、第一个第二电流传感器、第一个第三电流传感器的第二端共接后连接所述母线电容C3的第一端；第二个第一电流传感器、第二个第二电流传感器、第二个第三电流传感器的第一端分别一一对应的连接第一耦合电抗L1、第二耦合电抗L2、第三耦合电抗L3的第二非同名端，第二个第一电流传感器、第二个第二电流传感器、第二个第三电流传感器的第二端共接后连接所述母线电容C3的第二端。
7.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述IGBT管Q1与Q2，Q3与Q4，Q5与Q6，Q7与Q8，Q9与Q10，Q11与Q12分别互补工作。
8.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述IGBT管Q1与Q8，Q3与Q10，Q5与Q12驱动分别相同，相位错开120度。
9.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述IGBT管Q2与Q7，Q4与Q9，Q6与Q11驱动也分别相同，相位错开120度。
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