CN106712523B - 一种升压三电平全桥变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种升压三电平全桥变换器及其控制方法，属直直变换器及其控制方法。本发明的升压三电平全桥变换器包括输入电源、第一滤波电感、中间电容、全桥开关电路、三电平桥臂支路、第一隔离变压器、第二隔离变压器、第一全桥整流电路、第二全桥整流电路和滤波电路；其控制方法是第一开关管～第四开关管采用移相控制；第五开关管和第六开关管采用脉冲宽度调制控制。本发明适用于宽输入电压的场合，其输入和输出电流的纹波小，有利于延长输入电源的使用寿命，减小了滤波电感的重量和体积，减小了开关管和整流二极管的电压应力，解决了传统电压源变换器整流二极管电压应力高的问题，解决了电流源变换器开关管电压应力高和输出电流脉动大的问题。

Description

一种升压三电平全桥变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种变换器及其控制方法，尤其是一种升压三电平全桥变换器及其控制方法。
背景技术
近年来，燃料电池和光伏电池等可再生能源由于具有清洁、安全、无污染和可再生等优点，在分布式发电系统和电动汽车中得到广泛应用。在分布式发电系统中，光伏电池的输出通常都是电压较低且变化范围宽的直流电，而并网逆变器的输入需要电压较高的直流电，因此，需要直流变换器把低压宽变化范围的直流电转换为适合并网的高电压直流电。在电动汽车领域中，往往需要将燃料电池或蓄电池提供的低压且宽范围变化的直流电转换为较高电压的直流电，如380V。在宽输入电压范围的场合，传统电压源变换器存在输入电流脉动大和输出整流二极管电压应力高的问题，而传统电流源变换器存在输出电流脉动大和开关管电压应力高的问题。此外，现有三电平变换器存在输入电流脉动大和输入分压电容的均压问题。因此研究新型适合宽输入的变换器，有着重要的理论和现实意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中变换器的缺点，提出一种开关管电压应力小、整流二极管电压应力低、适合低压宽输入的升压三电平全桥变换器及其控制方法。
本发明的升压三电平全桥变换器，包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、中间电容C1、全桥开关电路1、三电平桥臂支路2、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第一全桥整流电路3、第二全桥整流电路4和滤波电路5，其中全桥开关电路1包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，三电平桥臂支路2包括第五开关管S5和第六开关管S6，第一全桥整流电路3包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第二全桥整流电路4包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，滤波电路5包括第二滤波电感L1和滤波电容Cf。具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极连接第一滤波电感L1的一端，输入电压Uin的负极分别连接中间电容C1的负端、第二开关管S2的一端和第四开关管S4的一端构成全桥开关电路1的负端和第六开关管S6的一端构成三电平桥臂支路2的负端，中间电容C1的正端分别连接第五开关管S5的一端构成三电平桥臂支路2的正端、第一开关管S1的一端和第三开关管S3的一端构成全桥开关电路1的正端，第一滤波电感L1的另一端分别连接第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端和第一隔离变压器T1原边绕组NP1的同名端，第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端分别连接第三开关管S3的另一端、第四开关管S4的另一端和第二隔离变压器T2原边绕组NP2的同名端，第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端连接第五开关管S5的另一端和第六开关管S6的另一端；第一隔离变压器T1副边绕组NS1的同名端连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极，第一隔离变压器T1副边绕组NS1的异名端连接第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极；第二隔离变压器T2副边绕组NS1的同名端连接第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极，第二隔离变压器T2副边绕组NS1的异名端连接第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阴极；第一二极管D1的阴极连接第三二极管D3的阴极构成第一全桥整流电路3的正端，第二二极管D2的阳极连接第四二极管D4的阳极构成第一全桥整流电路3的负端；第五二极管D5的阴极连接第七二极管D7的阴极构成第二全桥整流电路4的正端，第六二极管D6的阳极连接第八二极管D8的阳极构成第二全桥整流电路4的负端；第一全桥整流电路3的负端连接第二全桥整流电路4的正端；第二滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路3的正端，第二滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第二全桥整流电路4的负端；第一～第六开关管均具有反并联二极管。
第一～第六开关元件为IGBT或MOSFET。输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。所述第一～第八二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。
本发明的升压三电平全桥变换器的控制方法：第一开关管S1～第四开关管S4采用移相控制；第五开关管S5和第六开关管S6采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2180°互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4180°互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6驱动信号相位差为180°。
第五开关管S5与第四开关管S4同时开通或关断，第三开关管S3与第六开关管S6同时开通或关断。
本发明的变换器存在三电平和两电平两种工作模式。当工作在三电平工作模式时，第一开关管S1和第四开关管S4的移相角为0，通过调节第五开关管S5和第六开关管S6的占空比来稳定输出电压Uo；当工作在两电平工作模式时，第五开关管S5和第六开关管S6都关断，通过调节第一开关管S1和第四开关管S4的移相角来稳定输出电压Uo。
本发明的升压三电平全桥变换器适用于宽输入电压的场合，其输入和输出电流的纹波小，有利于延长输入电源的使用寿命，减小了滤波电感的重量和体积，减小了开关管和整流二极管的电压应力，解决了传统电压源变换器二极管电压应力高的问题，解决了电流源变换器开关管电压应力高和输出电流脉动大的问题。
附图说明
图1：本发明的升压三电平全桥变换器的拓扑结构图；
具体实施方式
由图1可知，本申请的升压三电平全桥变换器，包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、中间电容C1、全桥开关电路1、三电平桥臂支路2、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第一全桥整流电路3、第二全桥整流电路4和滤波电路5，其中全桥开关电路1包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，三电平桥臂支路2包括第五开关管S5和第六开关管S6，第一全桥整流电路3包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第二全桥整流电路4包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，滤波电路5包括第二滤波电感L1和滤波电容Cf。具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极连接第一滤波电感L1的一端，输入电压Uin的负极分别连接中间电容C1的负端、第二开关管S2的一端和第四开关管S4的一端构成全桥开关电路1的负端和第六开关管S6的一端构成三电平桥臂支路2的负端，中间电容C1的正端分别连接第五开关管S5的一端构成三电平桥臂支路2的正端、第一开关管S1的一端和第三开关管S3的一端构成全桥开关电路1的正端，第一滤波电感L1的另一端分别连接第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端和第一隔离变压器T1原边绕组NP1的同名端，第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端分别连接第三开关管S3的另一端、第四开关管S4的另一端和第二隔离变压器T2原边绕组NP2的同名端，第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端连接第五开关管S5的另一端和第六开关管S6的另一端；第一隔离变压器T1副边绕组NS1的同名端连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极，第一隔离变压器T1副边绕组NS1的异名端连接第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极；第二隔离变压器T2副边绕组NS1的同名端连接第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极，第二隔离变压器T2副边绕组NS1的异名端连接第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阴极；第一二极管D1的阴极连接第三二极管D3的阴极构成第一全桥整流电路3的正端，第二二极管D2的阳极连接第四二极管D4的阳极构成第一全桥整流电路3的负端；第五二极管D5的阴极连接第七二极管D7的阴极构成第二全桥整流电路4的正端，第六二极管D6的阳极连接第八二极管D8的阳极构成第二全桥整流电路4的负端；第一全桥整流电路3的负端连接第二全桥整流电路4的正端；第二滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路3的正端，第二滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第二全桥整流电路4的负端；第一～第六开关管均具有反并联二极管。
第一～第六开关元件为IGBT或MOSFET。输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。所述第一～第八二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。
本申请的升压三电平全桥变换器的控制方法：第一开关管S1～第四开关管S4采用移相控制；第五开关管S5和第六开关管S6采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2180°互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4180°互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6驱动信号相位差为180°。
第五开关管S5与第四开关管S4同时开通或关断，第三开关管S3与第六开关管S6同时开通或关断。
本申请的变换器存在三电平和两电平两种工作模式。当工作在三电平工作模式时，第一开关管S1和第四开关管S4的移相角为0，通过调节第五开关管S5和第六开关管S6的占空比来稳定输出电压Uo；当工作在两电平工作模式时，第五开关管S5和第六开关管S6都关断，通过调节第一开关管S1和第四开关管S4的移相角来稳定输出电压Uo。
在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③中间电容C1足够大。
当处于三电平工作模式时，每个开关周期存在4种工作模态。
1、开关模态1
开关管S1和S4开通，其它开关管关断，因此，二极管D1、D4～D8导通，其它二极管断开，电感电流iL线性下降。此模态中，UAB＝nUin，其中，n是变压器的副原边匝数比。
2、开关模态2
开关管S1、S4和S5开通，其它开关管关断，因此，二极管D1、D4、D6和D7导通，其它二极管断开，电感电流iL线性上升。此模态中，UAB＝2nUin。
3、开关模态3
开关管S2和S3开通，其它开关管关断，因此，二极管D2、D3、D5～D8导通，其它二极管断开，电感电流iL线性下降。此模态中，UAB＝nUin。
4、开关模态4
开关管S2、S3和S6开通，其它开关管关断，因此，二极管D2、D3、D5和D8导通，其它二极管断开，电感电流iL线性上升。此模态中，UAB＝2nUin。
当处于两电平工作模式时，每个开关周期存在3种工作模态。
1、开关模态1
开关管S1和S4开通，其它开关管关断，因此，二极管D1、D4～D8导通，其它二极管断开，电感电流iL线性上升。此模态中，UAB＝nUin。
2、开关模态2
所有开关管关断，因此，所有二极管导通，电感电流iL线性下降。此模态中，UAB＝0。
3、开关模态3
开关管S2和S3开通，其它开关管关断，因此，二极管D2、D3、D5～D8导通，其它二极管断开，电感电流iL线性上升。此模态中，UAB＝nUin。

Claims (9)

1.一种升压三电平全桥变换器，其特征在于包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、中间电容C1、全桥开关电路1、三电平桥臂支路2、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第一全桥整流电路3、第二全桥整流电路4和滤波电路5，其中全桥开关电路1包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4，三电平桥臂支路2包括第五开关管S5和第六开关管S6，第一全桥整流电路3包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第二全桥整流电路4包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，滤波电路5包括第二滤波电感L2和滤波电容Cf；具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极连接第一滤波电感L1的一端，输入电压Uin的负极分别连接中间电容C1的负端、第二开关管S2的一端和第四开关管S4的一端构成全桥开关电路1的负端和第六开关管S6的一端构成三电平桥臂支路2的负端，中间电容C1的正端分别连接第五开关管S5的一端构成三电平桥臂支路2的正端、第一开关管S1的一端和第三开关管S3的一端构成全桥开关电路1的正端，第一滤波电感L1的另一端分别连接第一开关管S1的另一端、第二开关管S2的另一端和第一隔离变压器T1原边绕组NP1的同名端，第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端分别连接第三开关管S3的另一端、第四开关管S4的另一端和第二隔离变压器T2原边绕组NP2的同名端，第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端连接第五开关管S5的另一端和第六开关管S6的另一端；第一隔离变压器T1副边绕组NS1的同名端连接第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极，第一隔离变压器T1副边绕组NS1的异名端连接第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极；第二隔离变压器T2副边绕组NS2的同名端连接第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阴极，第二隔离变压器T2副边绕组NS2的异名端连接第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阴极；第一二极管D1的阴极连接第三二极管D3的阴极构成第一全桥整流电路3的正端，第二二极管D2的阳极连接第四二极管D4的阳极构成第一全桥整流电路3的负端；第五二极管D5的阴极连接第七二极管D7的阴极构成第二全桥整流电路4的正端，第六二极管D6的阳极连接第八二极管D8的阳极构成第二全桥整流电路4的负端；第一全桥整流电路3的负端连接第二全桥整流电路4的正端；第二滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路3的正端，第二滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第二全桥整流电路4的负端；第一～第六开关管均具有反并联二极管。
2.根据权利要求1所述的升压三电平全桥变换器，所述第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。
3.根据权利要求1所述的升压三电平全桥变换器，所述输入电源Uin为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。
4.根据权利要求1所述的升压三电平全桥变换器，所述第一～第八二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。
5.一种如权利要求1所述的升压三电平全桥变换器的控制方法，其特征在于第一开关管S1～第四开关管S4采用移相控制；第五开关管S5和第六开关管S6采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2180°互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4180°互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6驱动信号相位差为180°。
6.根据权利要求5所述的升压三电平全桥变换器的控制方法，所述第五开关管S5与第四开关管S4同时开通或关断，第三开关管S3与第六开关管S6同时开通或关断。
7.根据权利要求5所述的升压三电平全桥变换器的控制方法，所述变换器存在三电平和两电平两种工作模式。
8.根据权利要求7所述的升压三电平全桥变换器的控制方法，在三电平工作模式，第一开关管S1和第四开关管S4的移相角为0，通过调节第五开关管S5和第六开关管S6的占空比来稳定输出电压Uo。
9.根据权利要求7所述的升压三电平全桥变换器的控制方法，在两电平工作模式，第五开关管S5和第六开关管S6都关断，通过调节第一开关管S1和第四开关管S4的移相角来稳定输出电压Uo。
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