CN108462381A - 一种半桥三电平变换器及其软启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半桥三电平变换器及其软启动方法。本发明通过在三相电网软启输入的情况下，母线电压从低到高的过程中，从电压0V开始，控制系统直接输出零占空比控制，给半桥三电平变换器的飞跨电容缓慢充电达到预期值。该半桥三电平变换器及其软启动方法简单易实现，能够起到保护功率开关管无过流。本发明有效解决半桥三电平变换器启动过程中出现电流冲击较大的问题，由此提高机器的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电并网领域，具体涉及一种半桥三电平变换器及其软启动方法。
背景技术
随着电力电子技术和计算机技术的高速发展，逆变器广泛应用于大功率领域。特别是随着半桥三电平技术的不断提高和完善，半桥三电平变流器在大功率场合中已经成为了主导地位。半桥三电平直流变换器用两个开关管串联来代替传统半桥变换器中的一个开关管，其中的飞跨电容起到解耦超前臂和滞后臂软开关过程和均压开关管的作用，而钳位二极管除了帮助均压开关管之外，还有加速飞跨电容充电过程的作用。
与传统的两电平变流器相比，半桥三电平变流器具有耐压等级高、开关损耗低等优点，在高压大功率应用中表现出明显的优势，所以引起了人们的关注。
但是半桥三电平变流器启动过程，电容C1上的电压将从功率(开关)管S1，直接以540V的电压给飞跨电容C3充电，充电瞬间会产生瞬间的大电流从功率管S1流过；或者电容C2上的电压将从功率管S4，直接以540V的电压给C3充电，充电瞬间会产生瞬间的大电流从功率管S4流过，可能会损坏功率开关管。
由于(飞跨)电容C3快速充电瞬间出现功率开关管过流问题的存在，要求必须增大功率开关管的过流能力，同时瞬间的大电流会对功率开关管有很大损伤，也会缩短功率开关管的使用寿命，存在一定的安全隐患。
针对半桥三电平变流器启动过程功率开关管出现大电流问题。目前仍主要通过提高功率开关管的过流能力，采用硬启动方式，均存在启动大电流隐患，尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明提出一种半桥三电平变换器及其软启动方法，解决半桥三电平变换器启动过程功率开关管出现大电流问题。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种半桥三电平变换器，包括钳位二极管D1和D2，功率开关管S1、S2、S3和S4，电容C1和C2，飞跨电容C3，变压器T1，滤波电感L1，其特征在于，所述的飞跨电容C3一端接在功率开关管S1和S2的中间、另一端接在功率开关管S3和S4的中间，位于电容C1和C2的输入端与三相整流桥之间设置软启动电阻R1，软启动电阻R1上并联有软启动继电器K1，所述的半桥三电平变换器与控制系统连接，所述的控制系统发出PWM驱动信号；
当继电器K1处于断开状态，整流桥通过软启动电阻R1，给电容C1和C2进行软启充电，软启动过程结束后再闭合继电器K1；
所述的控制系统输出PWM零占空比，分别为互补的4路PWM驱动信号，将信号分别标注为PWM1-PWM4，分别驱动所述的功率开关管S1、S2、S3和S4，PWM1和PWM4高低电平互补，PWM1和EPWM3相同，PWM2和EPWM4相同；所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S1和S3开通，功率开关管S2和S4关断的时候，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S2和S4开通，功率开关管S1和S3关断的时候，电容C2上的电压通过功率开关管S4和钳位二极管D1，给飞跨电容C3充电。
进一步的，电网三相交流电380V经过三相整流桥输出537V的直流电，通过软启动电阻R1给半桥三电平输入端电容C1和C2进行充电。
进一步的，控制系统以PWM零占空比控制半桥三电平变换器工作，工作状态分别为1010和0101状态，两个工作状态以20KHz的工作开关频率来回切换；
1010状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
0101状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
一种上述半桥三电平变换器的软启动方法：
1)三相电网交流输入，经过三相整流桥输出直流，通过软启电阻R1给半桥三电平变换器输入端的电容C1和C2进行充电，总电压从0V升到540V；
2)电压上升的同时控制系统输出零占空比PWM驱动信号，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4工作；
3)通过功率开关管S1、S2、S3和S4和钳位二极管D1和D2，半桥三电平变换器的飞跨电容C3电压软启。
进一步的，所述的三相整流桥输出直流电经过电阻R1软启，给半桥三电平变换器的电容C1和C2充电，电压从0V开始，升到540V；所述的C1和C2的电压逐渐升高，同时控制系统输出PWM零占空比，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4。
再进一步的，所述的控制系统一直输出PWM零占空比，直到电容C1和C2的电压趋于稳定。
本发明的技术效果在于：半桥三电平变换器在输入电压软启动过程中，通过控制系统输出PWM零占空比，让电容C1和C2缓慢给(飞跨)电容C3充电，并最终达到270V完成软启动过程，解决启动过程功率开关管出现较大冲击电流的问题。
附图说明
利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图；
图1是本发明半桥三电平变换器系统结构示意图；
图2是零占空比PWM驱动时序图；
图3是1010工作状态下的飞跨C3充电回路；
图4是0101工作状态下的飞跨C3充电回路。
具体实施方式
参照附图，一种半桥三电平变换器，包括钳位二极管D1和D2，功率开关管S1、S2、S3和S4，电容C1和C2，飞跨电容C3，变压器T1，滤波电感L1，其特征在于，所述的飞跨电容C3一端接在功率开关管S1和S2的中间、另一端接在功率开关管S3和S4的中间，位于电容C1和C2的输入端与三相整流桥之间设置软启动电阻R1，软启动电阻R1上并联有软启动继电器K1，所述的半桥三电平变换器与控制系统连接，所述的控制系统发出PWM驱动信号；
当继电器K1处于断开状态，整流桥通过软启动电阻R1，给电容C1和C2进行软启充电，软启动过程结束后再闭合继电器K1；
所述的控制系统输出PWM零占空比，分别为互补的4路PWM驱动信号，将信号分别标注为PWM1-PWM4，分别驱动所述的功率开关管S1、S2、S3和S4，PWM1和PWM4高低电平互补，PWM1和EPWM3相同，PWM2和EPWM4相同；所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S1和S3开通，功率开关管S2和S4关断的时候，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S2和S4开通，功率开关管S1和S3关断的时候，电容C2上的电压通过功率开关管S4和钳位二极管D1，给飞跨电容C3充电。
进一步的，电网三相交流电380V经过三相整流桥输出537V的直流电，通过软启动电阻R1给半桥三电平输入端电容C1和C2进行充电。
进一步的，控制系统以PWM零占空比控制半桥三电平变换器工作，工作状态分别为1010和0101状态，两个工作状态以20KHz的工作开关频率来回切换；
1010状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
0101状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
一种上述半桥三电平变换器的软启动方法：
1)三相电网交流输入，经过三相整流桥输出直流，通过软启电阻R1给半桥三电平变换器输入端的电容C1和C2进行充电，总电压从0V升到540V；
2)电压上升的同时控制系统输出零占空比PWM驱动信号，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4工作；
3)通过功率开关管S1、S2、S3和S4和钳位二极管D1和D2，半桥三电平变换器的飞跨电容C3电压软启。
进一步的，所述的三相整流桥输出直流电经过电阻R1软启，给半桥三电平变换器的电容C1和C2充电，电压从0V开始，升到540V；所述的C1和C2的电压逐渐升高，同时控制系统输出PWM零占空比，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4。
再进一步的，所述的控制系统一直输出PWM零占空比，直到电容C1和C2的电压趋于稳定。
所述功率管与功率开关管为同一概念，电容C3与飞跨电容C3为同一概念，三相整流桥与三相输入整流桥为同一概念，二极管D1与钳位二极管D1为同一概念，二极管D2与钳位二极管D2为同一概念。
本发明提出的一种半桥三电平变换器的特点是：半桥三电平变换器在输入电压软启动过程中，通过控制系统输出PWM零占空比，让电容C1和C2缓慢给(飞跨)电容C3充电，并最终达到270V完成软启动过程，解决启动过程功率开关管出现较大冲击电流的问题。
其中，所述半桥三电平变换器具有分别为S1、S2、S3和S4四个功率(开关)管，功率管工作后能实现功率变换。
其中，所述半桥三电平变换器具有一个飞跨电容C3，该电容主要用于对所述的功率开关管S1、S2、S3和S4进行均压。
其中，所述三相电网交流输入，经过整流桥输出直流，给半桥三电平输入端的电容C1和C2充电。
其中，所述软启动过程为继电器K1处于断开状态，整流桥通过软启动电阻R1，给电容C1和C2进行软启充电，软启动过程结束后再闭合继电器K1。
其中，所述的启动过程出现较大冲击电流，为电容C1和C2的总电压达到540V，如果此时飞跨电容C3的电压为0V，开通功率开关管S1的瞬间，电容C1上的电压将从功率管S1，直接以540V的电压给电容C3充电，充电瞬间会产生瞬间的大电流从功率管S1流过，可能会损坏功率管S1。同理，若先开通的功率开关管S2，则电容C2上的电压将从功率管S4，直接以540V的电压给C3充电，充电瞬间也会产生瞬间的大电流从功率管S4流过，可能会损坏功率管S4。
其中，所述的控制系统输出的PWM零占空比，分别为互补的4路PWM驱动信号。将信号分别标注为PWM1-PWM4，分别驱动所述的功率开关管S1、S2、S3和S4。PWM1和PWM4高低电平互补，PWM1和EPWM3相同，PWM2和EPWM4相同。
其中，所述的控制系统输出的PWM零占空比控制，当功率开关管S1和S3开通，功率开关管S2和S4关断的时候，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
其中，所述的控制系统输出的PWM零占空比控制，当功率开关管S2和S4开通，功率开关管S1和S3关断的时候，电容C2上的电压通过功率开关管S4和钳位二极管D1，给飞跨电容C3充电。
其中，所述的软启动过程，电容C1和C2上的电压从0V缓慢上升至540V，已经稳定，飞跨电容C3上的电压等于C1和C2电压总和的一半为270V，此时软启动充电结束。
本发明基于半桥三电平变换器的拓扑，提出的一种半桥三电平变换器的启动方法，能够解决启动过程因对飞跨电容C3充电瞬间，功率开关管存在较大冲击电流问题。本发明提出的一种半桥三电平变换器及其软启动方法具有以下特点：
其中，所述的软启动方法简易实现，不需要外加任何硬件电路。
其中，所述的软启动方法为PWM零占空比控制，没有能量输出到副边负载。
其中，所述的软启动方法可以完全解决启动过程开关管过流问题。
其中，所述的软启动方法软启动结束之后，可以从零占空比直接改变占空比输出，实现启动和输出的无缝切换过程。
具体的，本发明的一种半桥三电平变换器及其软启动方法，解决半桥三电平变换器启动过程功率开关管出现大电流问题。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图1至图2具体叙述本发明。
如附图1所示为本发明半桥三电平变换器系统结构示意图。该系统结构示意图包括：三相(输入)整流桥，用于将电网三相交流电转换成直流电；软启动电阻R1，用于给半桥三电平输入端的C1和C2进行软启充电；软启动继电器K1，软启动结束后，闭合该继电器K1，旁路软启动电阻R1；控制系统，用于处理系统逻辑，发出PWM驱动信号，控制半桥三电平变换器的功率开关管；半桥三电平拓扑结构，虚线框内为半桥三电平拓扑结构，可实现高频直流能量变换；直流负载，示意图中包含直流负载的接线。
如附图1所示虚框内为半桥三电平拓扑结构。该拓扑结构包含：二极管D1和D2，用于半桥三电平工作状态切换时的续流回路；功率开关管S1、S2、S3和S4，正常工作时功率开关管不同开关状态组合，半桥三电平有不同工作状态；飞跨电容C3，一端接在功率开关管S1和S2的中间、另一端接在功率开关管S3和S4的中间，用于对功率开关管S1、S2、S3和S4进行均压；变压器T1，用于将变换后的直流电进行升降压处理；滤波电感L1，用于将升降压之后的直流电进行滤波处理。
进一步地，电网三相交流电380V经过三相整流桥输出537V的直流电，通过软启动电阻R1给半桥三电平输入端电容C1和C2进行充电。C1和C2上的电压会从0V缓慢上升到540V，电压上升的速度取决于软启动电阻R1的参数。
进一步地，如果电容C1和C2升到很高的电压，而飞跨电容C3却没有得到有效持续的充电，那么等设备需要输出有效电压的时候再输出PWM驱动就已经晚了，开通半桥三电平变换器外管的瞬间就会有大电流经过功率开关管S1或者开关管S4。所以在C1和C2的电压还是0V的同时，为了让半桥三电平变换器中的飞跨电容C3也缓慢得到充电，控制系统给出如附图2所示的零占空比PWM信号，驱动功率开关管S1、S2、S3和S4工作。
所述的零占空比PWM信号，如附图2所示分别为互补的4路PWM驱动信号。将信号分别标注为PWM1-PWM4，分别驱动功率开关管S1、S2、S3和S4。PWM1和PWM4高低电平互补，PWM1和EPWM3相同，PWM2和EPWM4相同。
控制系统以PWM零占空比的方式，控制半桥三电平变换器工作，工作状态分别为1010和0101状态，两个工作状态以20KHz的工作开关频率来回切换。
1010状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，如附图3所示电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
0101状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，如附图4所示电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
进一步地，电容C1和C2上的总电压缓慢上升至540V，在电容均压的情况下，电容C1上的电压等于电容C2上的电压270V，飞跨电容C3的电压则会缓慢上升至270V，此时软启动过程结束。
进一步地，所述的软启动过程结束之后，控制系统继续维持零占空比输出，以维持飞跨电容C3上的电压，防止停止输出后，电容C3上的电压会下降。软启动结束之后，控制系统可以随时根据控制需要，输出有效占空比，实现零电压输出和带载输出的无缝切换。
本方案经过实验验证，其功能可以达到预期要求。整个启动过程，飞跨电容C3上的电压得以维持，且功率开关管不会出现大电流，解决半桥三电平变换器启动大电流问题。启动结束之后，如果控制需要，系统可以从零占空比无缝切换至输出有效占空比，实现能量变换。
在本申请所提供的实施例，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的。其中，电路中充电电压值大小，还有功率开关管的工作频率，都可以根据实际运行需要，进行合理的调整，都可以达到预期的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种半桥三电平变换器，包括钳位二极管D1和D2，功率开关管S1、S2、S3和S4，电容C1和C2，飞跨电容C3，变压器T1，滤波电感L1，其特征在于，所述的飞跨电容C3一端接在功率开关管S1和S2的中间、另一端接在功率开关管S3和S4的中间，位于电容C1和C2的输入端与三相整流桥之间设置软启动电阻R1，软启动电阻R1上并联有软启动继电器K1，所述的半桥三电平变换器与控制系统连接，所述的控制系统发出PWM驱动信号；
当继电器K1处于断开状态，整流桥通过软启动电阻R1，给电容C1和C2进行软启充电，软启动过程结束后再闭合继电器K1；
所述的控制系统输出PWM零占空比，分别为互补的4路PWM驱动信号，将信号分别标注为PWM1-PWM4，分别驱动所述的功率开关管S1、S2、S3和S4，PWM1和PWM4高低电平互补，PWM1和EPWM3相同，PWM2和EPWM4相同；
所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S1和S3开通，功率开关管S2和S4关断的时候，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
所述的控制系统输出的PWM零占空比，当功率开关管S2和S4开通，功率开关管S1和S3关断的时候，电容C2上的电压通过功率开关管S4和钳位二极管D1，给飞跨电容C3充电。
2.根据权利要求1所述的一种半桥三电平变换器，其特征在于，电网三相交流电380V经过三相整流桥输出537V的直流电，通过软启动电阻R1给半桥三电平输入端电容C1和C2进行充电。
3.根据权利要求2所述的一种半桥三电平变换器，其特征在于，控制系统以PWM零占空比控制半桥三电平变换器工作，工作状态分别为1010和0101状态，两个工作状态以20KHz的工作开关频率来回切换；
1010状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电；
0101状态下，PWM1控制的功率开关管S1开通，PWM2控制的功率开关管S2断开，PWM3控制的功率开关管S3开通，PWM4控制的功率开关管S4断开；该状态下，电容C1上的电压通过功率开关管S1和钳位二极管D2，给飞跨电容C3充电。
4.一种如权利要求1～3任一一种半桥三电平变换器的软启动方法，其特征在于，
1)三相电网交流输入，经过三相整流桥输出直流，通过软启电阻R1给半桥三电平变换器输入端的电容C1和C2进行充电，总电压从0V升到540V；
2)电压上升的同时控制系统输出零占空比PWM驱动信号，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4工作；
3)通过功率开关管S1、S2、S3和S4和钳位二极管D1和D2，半桥三电平变换器的飞跨电容C3电压软启。
5.一种如权利要求4所述的一种半桥三电平变换器的软启动方法，其特征在于，所述的三相整流桥输出直流电经过电阻R1软启，给半桥三电平变换器的电容C1和C2充电，电压从0V开始，升到540V；所述的C1和C2的电压逐渐升高，同时控制系统输出PWM零占空比，驱动半桥三电平变换器的功率开关管S1、S2、S3和S4。
6.一种如权利要求5所述的一种半桥三电平变换器的软启动方法，其特征在于，所述的控制系统一直输出PWM零占空比，直到电容C1和C2的电压趋于稳定。
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