CN109245549A - 一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑 - Google Patents

一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑。该功率回路拓扑包括高频变压器和连接在高频变压器两边的原边与副边电路；原边电路包括：与高频变压器相连接的原边半桥式电路、与原边半桥式电路相连接的第一钳位桥臂和高压侧电源、与高侧压电源连接的第一电阻电路和第一电容电路以及连接在原边半桥式电路与高频变压器的原边之间的功率电感；副边电路包括：与高频变压器相连接的副边半桥式电路、与副边半桥式电路相连接的第二钳位桥臂和低压侧电源以及与低侧压电源连接的第二电阻电路和第二电容电路。该功率回路拓扑适用于一侧高电压，另一侧大电流的场合，使用的全控型器件数量少、成本低，操作难度低。

Description

一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑
技术领域
本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑。
背景技术
近年来，随着新能源技术的不断发展，大量的电力系统接入。但由于新能源发电的不稳定性，在接入电网后易使电网产生波动，影响电网正常运行，甚至出现一些不必要的事故。
由于可以在电力系统中接入储能系统，通过控制储能系统的充放电，可有效利用新能源发电，改善供电质量，于是提出了双全桥DC-DC。
在已经提出的双全桥DC-DC中，可以通过控制两个全桥输出电压之间的相角差，实现能量的双向流动。然而，由于结构本身的原因，不可避免地会出现功率回流的问题，因而在单移相的基础上提出了双重移向，三重移向等控制方式来减小功率回流。
但是，目前的两个三电平全桥电路中，显而易见的问题就是开关管的个数多，成本比较高，且开关管的开关损耗较大，同时需要驱动开关管的驱动信号多，使得实现的时候比较困难。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供了一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，该功率回路拓扑适用于一侧高电压，另一侧大电流的场合，且使用的全控型器件数量少、成本低，降低操作难度。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，包括：高频变压器以及连接在所述高频变压器两边的原边电路与副边电路；
所述原边电路，包括：与所述高频变压器相连接的原边半桥式电路、与所述原边半桥式电路相连接的第一钳位桥臂和高压侧电源、与所述高侧压电源连接的第一电阻电路和第一电容电路以及连接在所述原边半桥式电路与所述高频变压器的原边之间的功率电感；
所述副边电路，包括：与所述高频变压器相连接的副边半桥式电路、与所述副边半桥式电路相连接的第二钳位桥臂和低压侧电源以及与所述低侧压电源连接的第二电阻电路和第二电容电路；
所述副边半桥式电路、第二钳位桥臂、第二电阻电路和第二电容电路分别与原边半桥式电路、第一钳位桥臂、第一电阻电路和第一电容电路对称。
进一步地，所述原边半桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联后并联连接在所述高压侧电源的两端；
所述第二开关管和第三开关管之间引出输出端子。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。
进一步地，所述第一钳位桥臂包括第一箝位二极管和第二箝位二极管；
所述第一箝位二极管和第二箝位二极管串联后并联于所述第一开关管的第二端与第四开关管的第一端。
进一步地，第一箝位二极管和第二箝位二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
进一步地，所述第一电阻电路包括第一电阻和第二电阻；
所述第一电阻和第二电阻串联后并联于所述高压侧电源的两端。
进一步地，第一电容电路包括第一母线电容和第二母线电容；
所述第一母线电容和第二母线电容串联后并联于所述高压侧电源的两端。
进一步地，所述功率电感的第一端与所述第二开关管和第三开关管之间引出的输出端子连接，第二端与所述高频变压器的上侧端子连接；
所述高频变压器的下侧端子与第一母线电容的第二端连接。
进一步地，所述第一箝位二极管的第二端与第一电阻的第二端和第一母线电容的第二端连接。
进一步地，若所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管本身未集成二极管，则均需另外反并联二极管。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，相对于双向全桥三电平结构减少了可控开关管的使用数量，降低了成本。
2、本发明提供的适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，高压侧单相三电平的使用，减小了单个开关管的电压应力，同时高压侧输出电压为高压母线电压的一半，可有效降低对高频变压器的绝缘的要求，降低了高频变压器制作难度。
3、本发明提供的适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，半桥电路相对于全桥电路的体积小，功率密度大，易于实现软开关控制，开关管关断时的电压尖峰较小。同时，添加了箝位电容可以保证电压的稳定，实现母线电容均压的效果。
4、本发明提供的适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，三电平半桥电路输出的电压等级更多，电压波形的谐波总畸变率较小，一定程度上减少了功率回流，从而提高了变压器的传输效率。
5、本发明提供的适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，双重移向控制方法的使用，可以减少开关损耗；同时系统惯性小，动态响应快，可有效降低回流功率，提升整机效率，可广泛应用于直流转换变比高的场合。
附图说明
图1为本发明实施例中功率回路拓扑的电气原理图；
图2为本发明实施例中的原边开关信号以及输出波形图；
图3为本发明实施例中的仿真开关信号时序图；
图4为本发明实施例中的仿真输出波形图。
【附图标记说明】
101：原边电路；102：原边半桥式电路；103：第一钳位桥臂；104：第一电阻电路；105：第一电容电路；201：副边电路；202：副边半桥式电路；203：第二钳位桥臂；204：第二电阻电路；205：第二电容电路。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施方式提供的一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，包括：高频变压器以及连接在高频变压器两边的原边电路101与副边电路201。原边电路101，包括：与高频变压器相连接的原边半桥式电路102、与原边半桥式电路102相连接的第一钳位桥臂103和高压侧电源、与高侧压电源连接的第一电阻电路104和第一电容电路105以及连接在原边半桥式电路102与所述高频变压器的原边之间的功率电感。
副边电路201，包括：与高频变压器相连接的副边半桥式电路202、与副边半桥式电路202相连接的第二钳位桥臂203和低压侧电源以及与低侧压电源连接的第二电阻电路204和第二电容电路205。
具体地，如图1所示，对于高压侧，原边半桥式电路102包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4,开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4依次串联后并联连接在高压侧电源E1的两端，为提供电流旁路。开关管S2和开关管S3之间引出输出端子。
第一钳位桥臂103包括箝位二极管D9和箝位二极管D10,箝位二极管D9和箝位二极管D10串联后并联于开关管S1的第二端与开关管S4的第一端。
第一电容电路包括母线电容C1和母线电容C2；母线电容C1和母线电容C2串联后并联于高压侧电源E1的两端，母线电容C1和母线电容C2的电压均为高压侧电源E1的一半。
为了保证母线电容C1和母线电容C2的电压平衡，并入电阻R1和电阻R2，电阻R1和电阻R2串联后并联于高压侧电源E1的两端。
功率电感L1的第一端与开关管S2和开关管S3之间引出的输出端子连接，第二端与高频变压器T1的上侧端子连接；高频变压器T1的下侧端子与母线电容C1的第二端连接。
箝位二极管D9的第二端与电阻R1的第二端和母线电容C1的第二端连接。
优选地，可以通过适当增加高频变压器T1的漏感大小，代替功率电感L1。
对于低压侧，副边半桥式电路202、第二钳位桥臂203、第二电阻电路204和第二电容电路205分别与原边半桥式电路102、第一钳位桥臂103、第一电阻电路104和第一电容电路105对称。
副边半桥式电路202包括开关管S5、开关管S6、开关管S7和开关管S8,开关管S5、开关管S6、开关管S7和开关管S8依次串联后并联连接在低压侧电源E2的两端，为提供电流旁路。开关管S6和开关管S7之间引出端子。
第二钳位桥臂203包括箝位二极管D11和箝位二极管D12,箝位二极管D11和箝位二极管D12串联后并联于开关管S5的第二端和开关管S8的第一端。
第二电容电路204包括母线电容C3和母线电容C4；母线电容C3和母线电容C4串联后并联于低压侧电源E2的两端，母线电容C3和母线电容C4的电压均为低压侧电源E2的一半。
为了保证母线电容C3和母线电容C4的电压平衡，并入电阻R3和电阻R4，电阻R3和电阻R4串联后并联于低压侧电源E2的两端。
高频变压器T1的副边上侧端子与开关管S6和开关管S7之间的端子连接，高频变压器T1副边下侧端子与母线电容C3的第二端连接。
箝位二极管D11的第二端与电阻R3的第二端和母线电容C3的第二端连接。
上述的开关管S1～开关管S8可根据具体需求选择场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等全控型开关器件，若器件本身未集成反并联二极管，还需要另外并联反向二极管。同时，箝位二极管D9～箝位二极管D12可以选用快恢复二极管或肖特基二极管。
对应于高压侧，同一时刻，开关管S1～开关管S4仅有两个加导通信号。如表1所示，开关管S1和开关管S2同时导通，半桥输出电压为E1/2；开关管S2和开关管S3同时导通，半桥输出电压为0；开关管S3和开关管S4同时导通，半桥输出电压为-E1/2。
由于输出电压最大值为E1/2，仅为高压侧电源E1的一半，高频变压器T1绝缘处理只需按照最大E1/2处理即可，降低了绝缘要求；同时由于输出电压为E1/2和-E1/2时，有2个开关管同时分担，降低了单管的电压应力；开关管S1和开关管S4相角互差180°，开关管S2和开关管S3相角互差180°；开关管S1和开关管S3互补导通，开关管S2和开关管S4互补导通，可以通过控制开关管S1、开关管S2和开关管S3、开关管S4同时导通的时间来改变半桥输出功率大小。
对应于低压侧，同一时刻，开关管S5、开关管S6加导通信号，输出电压为E2；开关管S7、开关管S8导通，输出电压为-E2。如图2所示，通过控制原边输出方波，可以控制功率电感L1两侧的电压，进而控制原边副边之间传送功率的大小。当副边传输功率给原边的时候，只需要将驱动信号互换即可，可以实现功率的双向传输。
表1高频变压器高压侧开关管驱动信号以及对应输出电压
S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> u<sub>AB</sub> u<sub>p</sub>
0 1 1 0 0 -1
1 1 0 0 1 -1
0 1 1 0 0 1
0 0 1 1 -1 1
0 1 1 0 0 -1
1 1 0 0 1 -1
0 1 1 0 0 1
0 0 1 1 -1 1
使用电力电子仿真软件搭建模型，仿真结果如图3和图4所示。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于三电平双半桥的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，包括：高频变压器以及连接在所述高频变压器两边的原边电路(101)与副边电路(201)；
所述原边电路(101)，包括：与所述高频变压器相连接的原边半桥式电路(102)、与所述原边半桥式电路(102)相连接的第一钳位桥臂(103)和高压侧电源、与所述高侧压电源连接的第一电阻电路(104)和第一电容电路(105)以及连接在所述原边半桥式电路(102)与所述高频变压器的原边之间的功率电感；
所述副边电路(201)，包括：与所述高频变压器相连接的副边半桥式电路(202)、与所述副边半桥式电路(202)相连接的第二钳位桥臂(203)和低压侧电源以及与所述低侧压电源连接的第二电阻电路(204)和第二电容电路(205)；
所述副边半桥式电路(202)、第二钳位桥臂(203)、第二电阻电路(204)和第二电容电路(205)分别与原边半桥式电路(102)、第一钳位桥臂(103)、第一电阻电路(104)和第一电容电路(105)对称。
2.根据权利要求1所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述原边半桥式电路(102)包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管依次串联后并联连接在所述高压侧电源的两端；
所述第二开关管和第三开关管之间引出输出端子。
3.根据权利要求2所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管的全控型开关器件。
4.根据权利要求2所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述第一钳位桥臂(103)包括第一箝位二极管和第二箝位二极管；
所述第一箝位二极管和第二箝位二极管串联后并联于所述第一开关管的第二端与第四开关管的第一端。
5.根据权利要求4所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述第一箝位二极管和第二箝位二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
6.根据权利要求4所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述第一电阻电路(104)包括第一电阻和第二电阻；
所述第一电阻和第二电阻串联后并联于所述高压侧电源的两端。
7.根据权利要求6所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，第一电容电路(105)包括第一母线电容和第二母线电容；
所述第一母线电容和第二母线电容串联后并联于所述高压侧电源的两端。
8.根据权利要求7所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述功率电感的第一端与所述第二开关管和第三开关管之间引出的输出端子连接，第二端与所述高频变压器的上侧端子连接；
所述高频变压器的下侧端子与第一母线电容的第二端连接。
9.根据权利要求8所述的双向直流变换器功率回路拓扑，其特征在于，所述第一箝位二极管的第二端与第一电阻的第二端和第一母线电容的第二端连接。
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