CN109861541A - 一种五电平h桥推挽双向直流变换拓扑结构 - Google Patents

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宋家祥
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韩涛
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Abstract

本发明提出一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：高压侧五电平全桥结构与低压侧推挽结构，高压侧五电平全桥结构通过功率电感与低压侧推挽结构连接。所述高压侧五电平全桥结构包括：高压侧电源、第一母线电容、第二母线电容、两个电阻、八个开关管、八个二极管、四个箝位二极管以及功率电感；所述低压侧推挽结构包括：低压侧电源、高频变压器、两个开关管及两个二极管；可以使得电流应力变小，开关通态损耗降低，铁磁原件涡流损耗减小，系统的传输效率高，电压波形的谐波总畸变率小，提高了变压器的传输效率，拓扑结构简单，输出控制容易，并且由于其结构对称，易于实现软开关，具有电气隔离，电压变化范围大。

Description

一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种双向直流变换的拓扑结构领域，具体为一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构。
背景技术
当今世界面临着严重的污染现状，人类的生产活动大量的消耗着不可再生能源，同时随着新能源的发展，可再生能源的利用已经被提上日程，电力系统引入了太阳能、风能，生物质能、潮汐等可再生能源，但是由于新能源不像传统能源那样具有稳定性，新能源的引入，会干扰电网的正常运行，新能源的不稳定的特性会使电网产生波动。因此需要使用一种功率变换器，通过这种变换器能够控制储能系统的充放电，使得我们更加有效的利用新能源发电，能够更加有效的改善供电的质量。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，包括高压侧五电平全桥结构与低压侧推挽结构，高压侧五电平全桥结构通过功率电感与低压侧推挽结构连接。
所述高压侧五电平全桥结构包括：高压侧电源、第一母线电容、第二母线电容、第一均压电阻、第二均压电阻、八个开关管、八个二极管、四个箝位二极管以及功率电感；所述第一母线电容与第二母线电容串联后与高压侧电源并联，第一开关管至第四开关管依次串联后与高压侧电源并联，第一均压电阻与第二均压电阻串联后与高压侧电源并联，第五开关管至第八开关管依次串联后与高压侧电源并联，第十一箝位二极管的阴极连接在第一开关管与第二开关管之间的中点，第十一箝位二极管的阳极与第十二箝位二极管阴极相连，所述第十二箝位二极管的阳极连接在第三开关管与第四开关管之间的中点，第十三箝位二极管的阳极连接在第五开关管与第六开关管之间的中点，所述第十三箝位二极管的阳极与第十四箝位二极管的阴极相连，所述第十四箝位二极管的阳极连接在第七开关管与第八开关管之间的中点，第一母线电容与第二母线电容之间的中点、第一均压电阻与第二均压电阻之间的中点、第十一箝位二极管与第十二箝位二极管之间的中点以及第十三箝位二极管与第十四箝位二极管之间的中点结于一点，所述功率电感一端接于第二开关管与第三开关管之间，另一端经高频变压器的一次绕组连接在第六开关管与第七开关管之间。
所述低压侧推挽结构包括：低压侧电源、高频变压器、两个开关管及两个二极管；
所述高频变压器包括：一次绕组、第一二次绕组与第二二次绕组；
所述低压侧的电源的正极分别连接第九开关管与第十开关管，所述第九开关管经第一二次绕组与低压侧电源连接，所述第十开关管经第二二次绕组与低压侧电源连接。
作为一种优选的技术方案，所述的第十一至十四箝位二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
作为一种优选的技术方案，所述的第一至第十开关管为全控型开关器件。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明提出的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，高压侧五电平全桥结构，相对于传统的三电平半桥结构，增加了全控型器件的使用数量，增加了电平数目，减少了单个开关管所承受的电压应力，减少了功率电感的数量同时具有相同的效果。
2.推挽电路广泛应用于功放电路和开关电源中，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。对开关管电压能够有效箝位，同时能够有效减小环流能量。
3.本发明由于电平数目较多，可以使得电流应力变小，开关通态损耗降低，铁磁原件涡流损耗减小，系统的传输效率高。
4.电压波形的谐波总畸变率小，提高了变压器的传输效率。
5.高压侧采用相电压三电平，线电压五电平结构，减少了单个开关管的电压应力，同时使得输出电平数目较多，同时左侧采用全桥三电平，相比于半桥三电平功率可以做的更大。
6.拓扑结构简单，输出控制容易，并且由于其结构对称，易于实现软开关，具有电气隔离，电压变化范围大。
附图说明
图1为本发明实施例的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构原理图。
图2是本发明中实施例的第一开关管至第八开关管的仿真开关信号时序图。
图3是本发明中实施例的高压侧五电平全桥结构的仿真输出波形图。
图4是本发明实施例中的低压侧电源的仿真波形图。
图5是本发明实施例中的第九开关管与第十开关管的驱动信号波形图。
图中：Vm3-为高压侧五电平输出电压，Am5-为高压侧线电流。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，所述高压侧五电平全桥结构包括：高压侧电源E1、第一母线电容C1、第二母线电容C2、第一均压电阻R1、第一均压电阻R2、八个开关管、八个二极管、四个箝位二极管以及功率电感L1；所述第一母线电容C1与第二母线电容C2串联后与高压侧电源E1并联，第一开关管S1至第四开关管S4依次串联后与高压侧电源E1并联，第一均压电阻R1与第二均压电阻R2串联后与高压侧电源E1并联，第五开关管S5至第八开关管S8依次串联后与高压侧电源E1并联，第十一箝位二极管D11的阴极连接在第一开关管S1与第二开关管S2之间的中点，第十一箝位二极管D11的阳极与第十二箝位二极管D12阴极相连，所述第十二箝位二极管D12的阳极连接在第三开关管S3与第四开关管S4之间的中点，第十三箝位二级管D13的阳极连接在第五开关管S5与第六开关管S6之间的中点，所述第十三箝位二极管D13的阳极与第十四箝位二极管D14的阴极相连，所述第十四箝位二级管D14的阳极连接在第七开关管S7与第八开关管S8之间的中点，第一母线电容C1与第二母线电容C2之间的中点、第一均压电阻R1与第二均压电阻R2之间的中点、第十一箝位二极管D11与第十二箝位二极管D12之间的中点以及第十三箝位二极管D13与第十四箝位二极管D14之间的中点结于一点。所述功率电感L1一端接于第二开关管S2与第三开关管S3之间，另一端经高频变压器T1的一次绕组连接在第六开关管S6与第七开关管S7之间，所述第一开关管S1至第八开关管S8每个开关管都反向并联一个二极管。
进一步的，高压侧电源E1的正极与第一开关管S1的D极相连，第一开关管S1的S极与第二开关管S2的D极相连，第二开关管S2的S极与第三开关管S3的D极相连，第三开关管S3的S极与第四开关管S4的D极相连，第四开关管S4的S极与高压侧电源E1的负极相连，高压侧电源E1的正极与第五开关管S5的D极相连，第五开关管S5的S极与第六开关管S6的D极相连，第六开关管S6的S极与第七开关管S7的D极相连，第七开关管S7的S极与第八开关管S8的D极相连，第八开关管S8的S极与高压侧电源E1的负极相连。
所述低压侧推挽结构包括：低压侧电源E2、高频变压器T1、两个开关管及两个二极管。
所述高频变压器包括：一次绕组、第一二次绕组与第二二次绕组。
所述低压侧的电源E2的正极分别连接第九开关管S9与第十开关管S10，所述第九开关管S9经第一二次绕组与低压侧电源E2连接，所述第十开关管S10经第二二次绕组与低压侧电源E2连接，所述第九开关管S9与第十开关管S10分别反向并联二极管。
进一步的，低压侧电源E2的正极分别连接第九开关管S9的D极与第十开关管S10的正极，第九开关管S9的S极与第一二次绕组的端子6连接，第一二次绕组的端子5与低压侧电源E2的负极连接。第十开关管S10的S极与第二二次绕组的端子3连接，第二二次绕组的端子4与低压侧电源E2的负极连接。一次绕组为与第一二次绕组、第二二次绕组的比值分别为10:1:1。
第十一至十四箝位二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
第一至第十开关管为全控型开关器件。
进一步的，上述所用的可控开关管S1～S10可根据具体需求选择IGBT、MOS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D11、D12、D13、D14需要选用快恢复二极管。
如图2所示，是高压侧五电平全桥结构中第一开关管S1至第八开关管S8的仿真开关时序波形。
如图3所示，是高压侧五电平全桥结构中五电平输出电压的仿真信号与高压侧五电平全桥结构输出线电流的的仿真波形。
如图4所示，高压侧电源E1作为输入电压，经过对S1-S8开关管的调制能够使得AB两端输出2E、E、0、-E,以及2E不同电平的电压，L1起到功率电感的作用，高频变压器T1的作用是将AB侧输出的五电平通进行互感耦合转化到低压侧推挽电路进行输出。当高频变压器T1的一次绕组电压不为0时，由于功率电感L1的耦合作用通过控制S9与S10的导通与关断可以给低压侧电源E2进行充电。
如图5所示，是第九开关管S9与第十开关管S10的驱动信号。频变压器T1的一次绕组电压不为0时，通过控制第九开关管S9与第十开关管S10的驱动信号为电压侧电源E2进行充电。
S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> S<sub>5</sub> S<sub>6</sub> S<sub>7</sub> S<sub>8</sub>
1 1 0 0 0 0 1 1
1 1 0 0 0 0 1 0
1 1 0 0 1 1 0 0
0 1 0 0 1 1 0 0
0 1 1 1 1 1 0 0
0 0 1 1 0 1 0 0
0 0 1 1 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 1 1
表1 高压侧五电平结构开关管驱动信号。

Claims (6)

1.一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：包括高压侧五电平全桥结构与低压侧推挽结构，高压侧五电平全桥结构通过功率电感与低压侧推挽结构连接。
2.如权利要求1所述的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：所述高压侧五电平全桥结构包括：高压侧电源、第一母线电容、第二母线电容、第一均压电阻、第二均压电阻、八个开关管、八个二极管、四个箝位二极管以及功率电感；所述第一母线电容与第二母线电容串联后与高压侧电源并联，第一开关管至第四开关管依次串联后与高压侧电源并联，第一均压电阻与第二均压电阻串联后与高压侧电源并联，第五开关管至第八开关管依次串联后与高压侧电源并联，第十一箝位二极管的阴极连接在第一开关管与第二开关管之间的中点，第十一箝位二极管的阳极与第十二箝位二极管阴极相连，所述第十二箝位二极管的阳极连接在第三开关管与第四开关管之间的中点，第十三箝位二极管的阳极连接在第五开关管与第六开关管之间的中点，所述第十三箝位二极管的阳极与第十四箝位二极管的阴极相连，所述第十四箝位二极管的阳极连接在第七开关管与第八开关管之间的中点，第一母线电容与第二母线电容之间的中点、第一均压电阻与第二均压电阻之间的中点、第十一箝位二极管与第十二箝位二极管之间的中点以及第十三箝位二极管与第十四箝位二极管之间的中点结于一点，所述功率电感一端接于第二开关管与第三开关管之间，另一端经高频变压器的一次绕组连接在第六开关管与第七开关管之间。
3.如权利要求1所述的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：所述低压侧推挽结构包括：低压侧电源、高频变压器、两个开关管及两个二极管；
所述高频变压器包括：一次绕组、第一二次绕组与第二二次绕组；
所述低压侧的电源的正极分别连接第九开关管与第十开关管，所述第九开关管经第一二次绕组与低压侧电源连接，所述第十开关管经第二二次绕组与低压侧电源连接。
4.如权利要求1所述的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：所述的第十一至十四箝位二极管为快恢复二极管或肖特基二极管。
5.如权利要求1所述的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：所述的第一至第十开关管为全控型开关器件。
6.如权利要求1所述的一种五电平H桥推挽双向直流变换拓扑结构，其特征在于：所述的第一开关管至第十开关管若未集成二极管，均需另外反并联二极管。
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