CN107046369A - 一种升压三相半桥变换器及其控制方法 - Google Patents

一种升压三相半桥变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种升压三相半桥变换器及其控制方法，属变换器及其控制方法。本发明的升压半桥变换器包括输入电源、第一滤波电感、第二滤波电感、第三滤波电感、第一桥臂支路、第二桥臂支路、第三桥臂支路、分压电容支路、第一隔离变压器、第二隔离变压器、第三隔离变压器、第一全桥整流电路、第二全桥整流电路、第三全桥整流电路和滤波电路；其控制方法是采用脉冲宽度调制控制，第一开关管、第三开关管和第五开关管的驱动信号相差120°，第二开关管、第四开关管和第六开关管的驱动信号相差120°。本发明适用于宽输入电压的场合，输入输出电流脉动小，分压电容电压、输入电流和输出整流电压的频率都是开关频率的3倍，二极管电压应力小。

Description

一种升压三相半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，尤其是一种升压三相半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是变化范围宽的直流电，且随负载和环境的变化而变化，因此，需要直流变换器具有低的输入电流脉动。在电动汽车领域中，往往需要将燃料电池或蓄电池提供的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开关管电压应力高和输出电流脉动大导致电容寿命短的问题。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，提出一种输入输出电流脉动小、整流二极管电压应力低、适合宽输入电压的升压三相半桥变换器及其控制方法。
本发明的升压三相半桥变换器，包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第一桥臂支路1、第二桥臂支路2、第三桥臂支路3、分压电容支路4、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第三隔离变压器T3、第一全桥整流电路5、第二全桥整流电路6、第三全桥整流电路7和滤波电路8，其中第一桥臂支路1包括第一开关管S1和第二开关管S2，第二桥臂支路2包括第三开关管S3和第四开关管S4，第三桥臂支路3包括第五开关管S5和第六开关管S6，分压电容支路4包括第一电容C1和第二电容C2，第一全桥整流电路5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6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，第三全桥整流电路7包括第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，滤波电路8包括第四滤波电感L4和滤波电容Cf。具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极分别连接第一滤波电感L1的一端、第二滤波电感L2的一端和第三滤波电感L3的一端，输入电源Uin的负极分别连接第二开关管S2的一端、第四开关管S4的一端、第六开关管S6的一端和第二电容C2的负端构成分压电容支路4的负端，第二电容C2的正端分别连接第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端、第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的异名端和第一电容C1的负端，第一电容C1的正端分别连接第一开关管S1的一端、第三开关管S3的一端和第五开关管S5的一端构成分压电容支路4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T2原边绕组NP1的同名端，第二滤波电感L2的另一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，第三滤波电感L3的另一端分别连接第五开关管S5的另一端、第六开关管S6的另一端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的同名端；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；第三隔离变压器T3副边绕组NS3的同名端连接第九二极管D9的阳极和第十二极管D10的阴极，第三隔离变压器T3副边绕组NS3的异名端连接第十一二极管D11的阳极和第十二二极管D12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5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5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6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6的负端；第九二极管D9的阴极连接第十一二极管D11的阴极构成第三全桥整流电路7的正端，第十二极管D10的阳极连接第十二二极管D12的阳极构成第三全桥整流电路7的负端；第一全桥整流电路5的负端连接第二全桥整流电路6的正端；第二全桥整流电路6的负端连接第三全桥整流电路7的正端；第四滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路5的正端，第四滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第三全桥整流电路7的负端。第一～第六开关管均具有反并联二极管。
第一～第六开关管为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～第十二二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。第一和第二电容为电解电容或无极性电容。
本发明的升压三相半桥变换器的控制方法：采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6互补开通关断。
第一开关管S1、第三开关管S3和第五开关管S5的驱动信号相差120°；第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6的驱动信号相差120°。
本发明的变换器通过调节第二开关管S2的占空比d来稳定输出电压Uo，其中，第二开关管S2的占空比d是其导通时间与开关周期之比。
本发明的升压三相半桥变换器适用于宽输入电压的场合，其输入和输出电流的脉动小且频率为开关频率的3倍，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；分压电容的电压频率为开关频率的3倍，可选用无极性长寿命电容，提高变换器的可靠性；减小了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：本发明的升压三相半桥变换器的拓扑结构图。
具体实施方式
由图1可知，本申请的升压三相半桥变换器，包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第一桥臂支路1、第二桥臂支路2、第三桥臂支路3、分压电容支路4、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第三隔离变压器T3、第一全桥整流电路5、第二全桥整流电路6、第三全桥整流电路7和滤波电路8，其中第一桥臂支路1包括第一开关管S1和第二开关管S2，第二桥臂支路2包括第三开关管S3和第四开关管S4，第三桥臂支路3包括第五开关管S5和第六开关管S6，分压电容支路4包括第一电容C1和第二电容C2，第一全桥整流电路5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6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，第三全桥整流电路7包括第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，滤波电路8包括第四滤波电感L4和滤波电容Cf。具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极分别连接第一滤波电感L1的一端、第二滤波电感L2的一端和第三滤波电感L3的一端，输入电源Uin的负极分别连接第二开关管S2的一端、第四开关管S4的一端、第六开关管S6的一端和第二电容C2的负端构成分压电容支路4的负端，第二电容C2的正端分别连接第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端、第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的异名端和第一电容C1的负端，第一电容C1的正端分别连接第一开关管S1的一端、第三开关管S3的一端和第五开关管S5的一端构成分压电容支路4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T2原边绕组NP1的同名端，第二滤波电感L2的另一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，第三滤波电感L3的另一端分别连接第五开关管S5的另一端、第六开关管S6的另一端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的同名端；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；第三隔离变压器T3副边绕组NS3的同名端连接第九二极管D9的阳极和第十二极管D10的阴极，第三隔离变压器T3副边绕组NS3的异名端连接第十一二极管D11的阳极和第十二二极管D12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5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5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6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6的负端；第九二极管D9的阴极连接第十一二极管D11的阴极构成第三全桥整流电路7的正端，第十二极管D10的阳极连接第十二二极管D12的阳极构成第三全桥整流电路7的负端；第一全桥整流电路5的负端连接第二全桥整流电路6的正端；第二全桥整流电路6的负端连接第三全桥整流电路7的正端；第四滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路5的正端，第四滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第三全桥整流电路7的负端。第一～第六开关管均具有反并联二极管。
第一～第六开关管为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～第十二二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。第一和第二电容为电解电容或无极性电容。
本申请的升压三相半桥变换器的控制方法：采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6互补开通关断。
第一开关管S1、第三开关管S3和第五开关管S5的驱动信号相差120°；第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6的驱动信号相差120°。
本申请的变换器通过调节第二开关管S2的占空比d来稳定输出电压Uo，其中，第二开关管S2的占空比d是其导通时间与开关周期之比。
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第一电容C1和第二电容C2足够大。
本申请的变换器第一电容C1的电压UC1等于dUin/(1-d)；第二电容C2的电压UC2等于Uin。
本申请的变换器第一电容C1和第二电容C2电压的脉动频率是开关频率的3倍；输入电流脉动频率和输出整流电压UAB的脉动频率也是开关频率的3倍。
本申请的变换器输入电压和输出电压的关系为：Uo＝6ndUin，其中，n是变压器的副原边匝数比。
本申请的变换器在不同的占空比d下，输出整流电压UAB具有以下几种情况：
1、当占空比d等于0时，UAB为0。
2、当占空比d小于等于1/3时，UAB存在两种电平，一种为nUin+2ndUin/(1-d)，一种为3ndUin/(1-d)。
3、当占空比d大于1/3且小于等于2/3时，UAB存在两种电平，一种为2nUin+ndUin/(1-d)，一种为nUin+2ndUin/(1-d)。
4、当占空比d大于2/3且小于1时，UAB存在两种电平，一种为3nUin，一种为2nUin+ndUin/(1-d)。

Claims (7)

1.一种升压三相半桥变换器，其特征在于包括输入电源Uin、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第一桥臂支路1、第二桥臂支路2、第三桥臂支路3、分压电容支路4、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2、第三隔离变压器T3、第一全桥整流电路5、第二全桥整流电路6、第三全桥整流电路7和滤波电路8，其中第一桥臂支路1包括第一开关管S1和第二开关管S2，第二桥臂支路2包括第三开关管S3和第四开关管S4，第三桥臂支路3包括第五开关管S5和第六开关管S6，分压电容支路4包括第一电容C1和第二电容C2，第一全桥整流电路5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6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，第三全桥整流电路7包括第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12，滤波电路8包括第四滤波电感L4和滤波电容Cf。具体拓扑结构为：输入电源Uin的正极分别连接第一滤波电感L1的一端、第二滤波电感L2的一端和第三滤波电感L3的一端，输入电源Uin的负极分别连接第二开关管S2的一端、第四开关管S4的一端、第六开关管S6的一端和第二电容C2的负端构成分压电容支路4的负端，第二电容C2的正端分别连接第一隔离变压器T1原边绕组NP1的异名端、第二隔离变压器T2原边绕组NP2的异名端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的异名端和第一电容C1的负端，第一电容C1的正端分别连接第一开关管S1的一端、第三开关管S3的一端和第五开关管S5的一端构成分压电容支路4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T2原边绕组NP1的同名端，第二滤波电感L2的另一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，第三滤波电感L3的另一端分别连接第五开关管S5的另一端、第六开关管S6的另一端和第三隔离变压器T3原边绕组NP3的同名端；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；第三隔离变压器T3副边绕组NS3的同名端连接第九二极管D9的阳极和第十二极管D10的阴极，第三隔离变压器T3副边绕组NS3的异名端连接第十一二极管D11的阳极和第十二二极管D12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5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5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6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6的负端；第九二极管D9的阴极连接第十一二极管D11的阴极构成第三全桥整流电路7的正端，第十二极管D10的阳极连接第十二二极管D12的阳极构成第三全桥整流电路7的负端；第一全桥整流电路5的负端连接第二全桥整流电路6的正端；第二全桥整流电路6的负端连接第三全桥整流电路7的正端；第四滤波电感L2的一端连接第一全桥整流电路5的正端，第四滤波电感L2的另一端连接滤波电容Cf的正端，滤波电容Cf的负端连接第三全桥整流电路7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所述的升压三相半桥变换器，所述第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。
3.根据权利要求1所述的升压三相半桥变换器，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所述的升压三相半桥变换器，所述第一～第十二二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。
5.根据权利要求1所述的升压三相半桥变换器，所述第一和第二电容为电解电容或无极性电容。
6.一种如权利要求1所述的升压三相半桥变换器的控制方法，其特征在于采用脉冲宽度调制(PWM)控制；第一开关管S1和第二开关管S2互补开通关断；第三开关管S3和第四开关管S4互补开通关断；第五开关管S5和第六开关管S6互补开通关断。
7.根据权利要求6所述的升压三相半桥变换器的控制方法，所述第一开关管S1、第三开关管S3和第五开关管S5的驱动信号相差120°；第二开关管S2、第四开关管S4和第六开关管S6的驱动信号相差120°。
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