CN107968586A - 一种有源钳位三电平电路以及直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种有源钳位三电平电路，包括：第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组，第三类开关管组中的开关管的容量小于第二类开关管组中的开关管的容量。具体的，在本方案中，第一类开关管组可以为IGBT等开关管，第二类开关管组以及第三类开关管组可以为MOSFET等开关管。可见，本实施例提供的三电平电路中，通过选用一部分第一类开关管代替第二类开关管，进而使得开关管选用MOSFET的数量有所减少，并且，由于第三类开关管的容量小于第二类开关管，因此，第三类开关管的成本要低于第二类开关管，使得整个三电平电路的MOSFET的总成本降低，并结合特定的开关状态，使得第一类开关管不具有拖尾电流。

Description

一种有源钳位三电平电路以及直流变换器
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种有源钳位三电平电路以及直流变换器。
背景技术
通常，传统桥式三电平电路如图1所示，包括多个串联的开关管，以适应于较高母线电压的应用场景。发明人发现，该三电平电路中的四个开关管的型号以及容量均相同，进一步的，为了提升光伏系统的效率，在高频应用时会采用MOSFET作为开关管，以减少采用IGBT作为开关管产生的电流拖尾的损耗问题。
然而，MOSFET的成本要远高于IGBT，因此，如何提供一种三电平电路，降低成本的同时，避免电流拖尾现象，是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种有源钳位三电平电路以及直流变换器，采用IGBT替换MOSFET，进而减少了MOSFET的使用数量，降低系统的成本，且避免了IGBT的电流拖尾现象。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种有源钳位三电平电路，包括：第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组，所述第三类开关管组中的开关管的容量小于等于所述第二类开关管组中的开关管的容量；
所述第一类开关管组包括第一开关管以及第四开关管，所述第二类开关组包括第二开关管以及第三开关管，所述第三类开关管组包括第五开关管以及第六开关管；
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管相串联，且所述第二开关管以及所述第三开关管的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输出端；
所述第五开关管与所述第六开关管相串联，且串联后的支路与所述第二开关管以及所述第三开关管串联后的支路相并联，所述第五开关管与所述第六开关管的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输入零端；
所述第一开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入正端；
所述第四开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入负端。
可选的，所述第一类开关管组中的开关管为IGBT和/或BJT；所述第二类开关管组以及所述第三类开关管组中的开关管为MOSFET。
一种直流变换器，包括任意一项上述的有源钳位三电平电路、至少一个变压器以及至少一个母线电容；
所述有源钳位三电平电路连接在所述母线电容与所述变压器之间，所述变压器用于将所述有源钳位三电平电路的输出电压进行电压变换。
可选的，还包括：
与所述变压器相连的功能电路，所述功能电路至少包括谐振电路、隔离电路、滤波电路以及RCD吸收电路中的一个或多个电路。
可选的，包括一个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在所述有源钳位三电平电路的输出端以及所述母线电容的中点之间。
可选的，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
可选的，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器，所述变压器的副边具有多个输出电路；
两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
可选的，包括四个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
两个所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间；
所述变压器的副边并接有另外两个所述有源钳位三电平电路。
一种有源钳位三电平电路的控制方法，应用于任意一项上述的有源钳位三电平电路，所述控制方法包括：
在第一工作状态，控制所述第一开关管、所述第二开关管以及所述第六开关管导通；
在第二工作状态，控制所述第二开关管关断；
在第四工作状态，控制所述第一开关管关断；
在第五工作状态，控制所述第六开关管关断。
基于上述技术方案，本发明实施例提供了一种有源钳位三电平电路，包括：第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组，第三类开关管组中的开关管的容量小于第二类开关管组中的开关管的容量。具体的，第一类开关管组包括第一开关管以及第四开关管，第二类开关组包括第二开关管以及第三开关管，第三类开关管组包括第五开关管以及第六开关管。第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管相串联，且第二开关管以及第三开关管的连接中点作为有源钳位三电平电路的输出端。第五开关管与第六开关管相串联，且串联后的支路与第二开关管以及第三开关管串联后的支路相并联，第五开关管与第六开关管的连接中点作为有源钳位三电平电路的输入零端。第一开关管的第一端作为有源钳位三电平电路的输入正端。第四开关管的第一端作为有源钳位三电平电路的输入负端。在本方案中，第一类开关管组可以为IGBT等开关管，第二类开关管组以及第三类开关管组可以为MOSFET，可见，本实施例提供的三电平电路中，开关管选用MOSFET的数量有所减少，并且，由于第三类开关管的容量小于第二类开关管，因此，第三类开关管的成本要低于第二类开关管，使得整个三电平电路的MOSFET的总成本降低，并且，由于第二工作状态下，控制第二开关管关断，此时，变压器的原边电流对第二开关管以及第三开关管的寄生电容进行充放电，因此，第一开关管上的电流迅速下降为零，所以第一开关管上不具有拖尾电流。除此，在第四工作状态下，控制第一开关管关断，此时，第一开关管上的电压也为零，即此时第一开关管也不存在拖尾电流。可见，在本实施例提供的工作状态下，无论第一开关管处于导通还是关闭状态，均不会产生拖尾电流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中多电平电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的又一结构示意图；
图10为本发明实施例提供的一种直流变换器的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种直流变换器的又一结构示意图；
图12为本发明实施例提供的一种直流变换器的又一结构示意图；
图13为本发明实施例提供的一种直流变换器的又一结构示意图；
图14为本发明实施例提供的一种直流变换器的又一结构示意图；
图15为本发明实施例提供的一种直流变换器的又一结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种有源钳位三电平电路的结构示意图，其中，该三电平电路包括第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组。
具体的，所述第一类开关管组包括第一开关管S1以及第四开关管S4，所述第二类开关组包括第二开关管S2以及第三开关管S3，所述第三类开关管组包括第五开关管S5以及第六开关管S6。
除此，在本实施例中，所述第三类开关管组中的开关管的容量小于所述第二类开关管组中的开关管的容量，即第五开关管S5的容量以及第六开关管S6的容量均小于第二开关管S2的容量以及第三开关管S3的容量。
具体的，该三电平电路中各开关管的连接关系为：
所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3以及所述第四开关管S4相串联，且所述第二开关管S2以及所述第三开关管S3的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输出端PH。
所述第五开关管S5与所述第六开关管S6相串联，且串联后的支路与所述第二开关管S2以及所述第三开关管S3串联后的支路相并联，所述第五开关管S5与所述第六开关管S6的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输入零端BUS0。
所述第一开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入正端BUS+。
所述第四开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入负端BUS-。
其中，在本实施例中，有源钳位三电平电路中的所述第一类开关管组中的开关管可以为IGBT和/或BJT类型的具有电流拖尾问题的开关管。所述第二类开关管组以及所述第三类开关管组中的开关管为MOSFET，其中，MOSFET可以为SiC MOSFET、SiMOSFET、GaN类型的无电流拖尾特性的开关管，或者电流拖尾特性做单独优越的IGBT以及IGBT与无电流拖尾特性的开关管的并联结构。
示意性的，如图3所示，以本实施例提供的第一类开关管为IGBT，第二类开关管以及第三类开关管为MOSFET为例，对本实施例提供的有源钳位三电平电路在正半周期的工作原理进行说明，如下：
在第一工作状态下，控制第一开关管S1、第二开关管S2以及第六开关管S6导通，此时，变压器的原边电流的流向如图4中箭头所示。
在第二工作状态下，根据调制的需求，将第二开关管S2关断，此时变压器的原边电流对第二开关管S2以及第三开关管S3的寄生电容进行充放电，导致第一开关管S1上的电流迅速下降为0，其电流流向如图5所示。由于第一开关管S1上的电流瞬间下降为0，此时第一开关管的电压也为0，因此第一开关管S1不会产生拖尾电流。
第三工作状态下，第二开关管S2以及第三开关管S3的寄生电容充放电完成后，第三开关管S3的体内二极管或者与其并联的反相二极管导通，此时，电流走线如图6所示。
第四工作状态下，第一开关管S1中的电流下降至0后，控制第一开关管S1关断，其电流走向如图7所示。此过程第一开关管S1上的电压为0，同时第一开关管S1上的电流为0，因此不存在拖尾电流，从根源上解决了第一开关管S1的关断损耗问题。
第五工作状态下，在第一开关管S1完成关断后，关断第六开关管S6，开启第三开关管S3、第四开关管S4以及第五开关管S5，此时，完成各开关管的开关动作，其电流走向如图8所示。
第六工作状态下，电流谐振反向后，其电流流向如图9所示。
同理，其负半周期的工作原理与上述正半周期的工作原理类似，能够解决第四开关管S4的电流拖尾问题以及关断损耗问题。
在上述实施例的基础上，本实施例还提供了一种直流变换器，该直流变换器包括至少一个上述有源钳位三电平电路、至少一个变压器以及至少一个母线电容。
其中，所述有源钳位三电平电路连接在所述母线电容与所述变压器之间，所述变压器用于将所述有源钳位三电平电路的输出电压进行电压变换。
除此，本实施例提供的直流变换器如图10所示，还可以包括：与所述变压器相连的功能电路，所述功能电路至少包括谐振电路、隔离电路、滤波电路以及RCD吸收电路中的一个或多个电路。
具体的该直流变换器可以有多种呈现方式，如为半桥有源钳位三电平LLC变换器，如图11所示，该直流变换器，包括一个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在所述有源钳位三电平电路的输出端以及所述母线电容的中点之间。
还可以为全桥有源钳位三电平LLC变换器，如图12所示，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器。
其中，两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
除此，还可以为具有多输出全桥有源钳位三电平LLC变换器，如图13所示，该直流变换器，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器，所述变压器的副边具有多个输出电路。
两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
除此，还可以为全桥有源钳位三电平C-LLC变换，如图14所示，该直流变换器，包括四个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器。
两个所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间；
所述变压器的副边并接有另外两个所述有源钳位三电平电路。
除此，还可以为全桥有源钳位三电平DAB变换器，如图15所示。需要说明的是，上述直流变换器中均包括有源钳位三电平电路，该三电平电路的结构均为图2或图3所示的电路结构，其工作原理也参见上述三电平电路的工作原理。
综上，本发明实施例提供了一种有源钳位三电平电路，包括：第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组，第三类开关管组中的开关管的容量小于第二类开关管组中的开关管的容量。具体的，第一类开关管组包括第一开关管以及第四开关管，第二类开关组包括第二开关管以及第三开关管，第三类开关管组包括第五开关管以及第六开关管。第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管相串联，且第二开关管以及第三开关管的连接中点作为有源钳位三电平电路的输出端。第五开关管与第六开关管相串联，且串联后的支路与第二开关管以及第三开关管串联后的支路相并联，第五开关管与第六开关管的连接中点作为有源钳位三电平电路的输入零端。第一开关管的第一端作为有源钳位三电平电路的输入正端。第四开关管的第一端作为有源钳位三电平电路的输入负端。
在本方案中，第一类开关管组可以为IGBT等开关管，第二类开关管组以及第三类开关管组可以为MOSFET，可见，本实施例提供的三电平电路中，开关管选用MOSFET的数量有所减少，并且，由于第三类开关管的容量小于第二类开关管，因此，第三类开关管的成本要低于第二类开关管，使得整个三电平电路的MOSFET的总成本降低，并且，由于第二工作状态下，控制第二开关管关断，此时，变压器的原边电流对第二开关管以及第三开关管的寄生电容进行充放电，因此，第一开关管上的电流迅速下降为零，所以第一开关管上不具有拖尾电流。除此，在第四工作状态下，控制第一开关管关断，此时，第一开关管上的电压也为零，即此时第一开关管也不存在拖尾电流。可见，在本实施例提供的工作状态下，无论第一开关管处于导通还是关闭状态，均不会产生拖尾电流。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种有源钳位三电平电路，其特征在于，包括：第一类开关管组、第二类开关管组以及第三类开关管组，所述第三类开关管组中的开关管的容量小于所述第二类开关管组中的开关管的容量；
所述第一类开关管组包括第一开关管以及第四开关管，所述第二类开关组包括第二开关管以及第三开关管，所述第三类开关管组包括第五开关管以及第六开关管；
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管相串联，且所述第二开关管以及所述第三开关管的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输出端；
所述第五开关管与所述第六开关管相串联，且串联后的支路与所述第二开关管以及所述第三开关管串联后的支路相并联，所述第五开关管与所述第六开关管的连接中点作为所述有源钳位三电平电路的输入零端；
所述第一开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入正端；
所述第四开关管的第一端作为所述有源钳位三电平电路的输入负端。
2.根据权利要求1所述的有源钳位三电平电路，其特征在于，所述第一类开关管组中的开关管为IGBT和/或BJT；所述第二类开关管组以及所述第三类开关管组中的开关管为MOSFET。
3.一种直流变换器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-2中任意一项所述的有源钳位三电平电路、至少一个变压器以及至少一个母线电容；
所述有源钳位三电平电路连接在所述母线电容与所述变压器之间，所述变压器用于将所述有源钳位三电平电路的输出电压进行电压变换。
4.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，还包括：
与所述变压器相连的功能电路，所述功能电路至少包括谐振电路、隔离电路、滤波电路以及RCD吸收电路中的一个或多个电路。
5.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，包括一个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在所述有源钳位三电平电路的输出端以及所述母线电容的中点之间。
6.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
7.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，包括两个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器，所述变压器的副边具有多个输出电路；
两个所述有源钳位三电平电路均与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间。
8.根据权利要求3所述的直流变换器，其特征在于，包括四个有源钳位三电平电路、一个母线电容以及一个变压器；
两个所述有源钳位三电平电路与所述母线电容并联，且，所述变压器的原边并接在一个所述有源钳位三电平电路的输出端以及另一个所述有源钳位三电平电路的输出端之间；
所述变压器的副边并接有另外两个所述有源钳位三电平电路。
9.一种有源钳位三电平电路的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-2中任意一项所述的有源钳位三电平电路，所述控制方法包括：
在第一工作状态，控制所述第一开关管、所述第二开关管以及所述第六开关管导通；
在第二工作状态，控制所述第二开关管关断；
在第四工作状态，控制所述第一开关管关断；
在第五工作状态，控制所述第六开关管关断。
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