CN110350798A - 模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法 - Google Patents

模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流‑直流变换技术，旨在提供一种模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法。该模块化多电平结构谐振变换器包括模块化逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，所述桥臂间均压控制是指，通过调节桥臂中点电压的直流分量，使上桥臂和下桥臂电压幅值达到均衡。本发明提供的均压控制方法，都是通过对桥臂中点电压直流分量的控制，在不调节开关频率的前提下，通过闭环控制自动校正上下桥臂的电压分布，维持上下桥臂电压均衡，同时不改变MMR的正常工作状态。该控制方法无需人为调节桥臂电感值，通过控制实现模块化多电平谐振变换器的桥臂间电压自动均衡，保证变换器稳定可靠工作。

Description

模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法
技术领域
本发明涉及直流-直流变换技术，具体涉及电力电子技术领域中两种模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法，用于实现中高压直流向低压直流的稳定和可靠变换。
背景技术
在电力系统、舰艇等应用场合，常需要将中高压直流转化为低压直流，例如中压直流电网向工业民用低压电网配电。在这类应用中，中国发明专利“一种谐振型电力电子变流器及变流器装置”(申请号201310309952.7)提出的模块化多电平谐振变换器MMR(ModularMultilevel Resonant，后级DC/DC隔离电路)集成了模块化多电平变换器和谐振变换器的优势，具有较好的应用前景。
模块化多电平结构使MMR中压侧能承受高压，谐振型结构使功率器件能实现软开关，保证了MMR的高效率。MMR在工作时，由于桥臂间电感参数不一致导致的桥臂间的电压不均衡，可能使子模块电容电压过高，损坏电容和功率器件，为抑制该桥臂间的电压不均衡现象，传统做法是通过对电感制造的控制，或增减补偿电感，尽可能减小桥臂电感的参数不一致性。但通过人为调节电感值的方式难以保证电感值的精确匹配，并且随着外界环境(温度)的变化，电感值的变化难以预测，MMR的长期稳定可靠工作无法得到保证。
发明内容
本发明要解决的问题是，克服现有技术中的不足，提供一种模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法。
为解决技术问题，本发明提出的解决方案是：
提供一种模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法，所述模块化多电平结构谐振变换器包括模块化逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，模块化逆变电路经谐振网络接至变压器的原边，变压器的副边依次连接整流器和输出电容；模块化逆变电路包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个上开关管、一个下开关管和一个电容，上开关管与下开关管串联后并接至电容的两侧；
所述桥臂间均压控制是指，通过调节桥臂中点电压的直流分量，使上桥臂和下桥臂电压幅值达到均衡。
本发明中，在保持上下桥臂电压互补的前提下，通过改变模块化逆变电路上桥臂和下桥臂的占空比，实现对桥臂中点电压的直流分量的调节。
本发明中，具体包括步骤：将上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到占空比调节角θ，送入PWM发生器生成上桥臂子模块的驱动信号g11～g1N和下桥臂子模块的驱动信号g21～g2N，实现上桥臂电压varm1与下桥臂电压varm2占空比的调节。
本发明中，两个桥臂占空比调节的角度大于-90度小于90度。
本发明中，选择模块化逆变电路上桥臂或者下桥臂中的冗余子模块参与电压调节，实现对桥臂中点电压的直流分量的调节。
本发明中，具体包括步骤：上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到冗余子模块导通角送入PWM发生器生成上桥臂子模块的驱动信号g11～g1N和下桥臂子模块的驱动信号g21～g2N，使冗余子模块导通角，调节桥臂中点直流电压分量为输入电压的一半。
本发明中，所述的选择冗余子模块个数为至少一个。
本发明中，模块化逆变电路上、下桥臂中每个子模块中的上、下功率开关器件的导通角互补，且不会同时导通。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的均压控制方法，都是通过对桥臂中点电压直流分量的控制，在不调节开关频率的前提下，通过闭环控制自动校正上下桥臂的电压分布，维持上下桥臂电压均衡，同时不改变MMR的正常工作状态。
2、本发明的控制方法无需人为调节桥臂电感值，通过控制实现模块化多电平谐振变换器的桥臂间电压自动均衡，保证变换器稳定可靠工作。
附图说明
图1：本发明中模块化多电平谐振变换器MMR的拓扑结构示例；
图2：MMR桥臂电感参数一致的桥臂电压波形图；
图3：MMR桥臂电感参数不一致的桥臂电压波形图；
图4：MMR桥臂均压控制方法一的示例；
图5：MMR桥臂均压控制方法一的一个实施例；
图6：MMR桥臂均压控制方法二的示例；
图7：MMR桥臂均压控制方法二的一个实施例。
附图标记或代号：10模块化逆变电路、101桥臂、102桥臂、20谐振网络、30变压器、40整流器、50输出电容、Cell子模块、S1子模块上开关管、S2子模块下开关管、C子模块电容、vc子模块电容电压、上桥臂子模块电容电压平均值、下桥臂子模块电容电压平均值、桥臂中点电压直流分量、gi子模块驱动信号、L1上桥臂电感、L2下桥臂电感、Vi变换器输入电压、Vo变换器输出电压、g11～g1N和g21～g2N桥臂101、102的驱动信号、N桥臂子模块数目、k上开关管常通的子模块数目、v11～v1N 101桥臂子模块电容电压、v21～v2N 102桥臂子模块电容电压、θ桥臂占空比调节角、冗余子模块导通角。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明作用的模块化多电平谐振变换器MMR(如图1所示)，包括逆变电路10、谐振网络20、变压器30、整流器40和输出电容50，谐振网络20由一个电感与一个电容组成。逆变电路10与谐振网络20位于变压器30的原边；整流器40和输出电容50位于变压器30的副边；Vi、Vo分别是变换器输入和输出电压；每个桥臂均包含一个电感L1或L2和至少一个与电感串联的子模块Cell；每个子模块Cell均具有相同结构，包含一个上开关管S1、一个下开关管S2和一个电容C，开关管S2、S2串联后并接至电容C的两侧。子模块的开关信号是gi，gi直接控制S1，S2的控制信号与gi互补。驱动信号g11～g1N根据上桥臂子模块电压和均压控制分配给上桥臂各子模块，驱动信号g21～g2N按同样的方法给配给下桥臂，具体的均压控制方法不在本专利讨论范围之内。
图2-3示例性展示了MMR桥臂电压均衡时和不均衡时的波形示意图。图2所示是理想情况下的均压波形，上下桥臂电感L1和L2参数完全一致，上桥臂电压varm1和下桥臂电压varm2的幅值相等，维持在Vi，上下桥臂电压波形互补，占空比均为π，桥臂中点a的直流电压分量为Vi/2(输入电压的一半)。图3所示是桥臂电感L1大于下桥臂电感L2时桥臂电压波形图，达到稳态时上桥臂电压varm1幅值维持在Vi+ΔV(ΔV表示电压失衡大小)，下桥臂电压varm2幅值维持在Vi-ΔV，上下桥臂电压占空比均为π，桥臂中点a的直流电压分量为Vi/2-ΔV/2，当L1与L2的电感量相差较大时，上、下桥臂电压varm1与varm2将显著不同，使得电路工作不正常，且一个桥臂的子模块电压将显著升高，损坏功率器件和子模块电容。
图4示例性地展示了桥臂均压控制方法一。以上述电压不均衡示例进行说明，保持上下桥臂电压互补的前提下，通过调节上下桥臂的电压占空比，达到稳态时，上桥臂电压varm1占空比为π-θ，下桥臂电压varm2占空比为π+θ，上下桥臂电压的幅值均衡至Vi。桥臂中点a的直流电压分量为Vi/2+(θ/2π)Vi。
图5示例性地展示了实施输出电压控制方法一的框图。上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到占空比调节角θ，送入PWM发生器生成驱动信号g11～g1N和g21～g2N，实现varm1与varm2占空比的调节。
图6示例性地展示了桥臂均压控制方法二。以上述电压不均衡示例进行说明，对上桥臂维持正常的子模块动态投入和切出，对下桥臂除了维持正常的子模块投入和切除，在上桥臂导通期间，额外投入冗余(备用)子模块参与下桥臂电压varm2的调制，额外投入的冗余子模块导通角为达到稳态时，上桥臂电压varm1和下桥臂电压varm2的幅值均衡至Vi。桥臂中点a的直流电压分量为Vi/2。
图7示例性地展示了实施输出电压控制方法二的框图。上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到冗余子模块导通角送入PWM发生器生成驱动信号g11～g1N和g21～g2N，使冗余子模块导通角，调节桥臂中点a的直流电压分量为输入电压的一半。
虽然通过优选实施例进一步详细地说明并描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例，本领域技术人员可以从中得出其他变形，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种模块化多电平谐振变换器的桥臂间均压控制方法，其特征在于，所述模块化多电平结构谐振变换器包括模块化逆变电路、谐振网络、变压器、整流器和输出电容，模块化逆变电路经谐振网络接至变压器的原边，变压器的副边依次连接整流器和输出电容；模块化逆变电路包含两个串联的桥臂和两个串联的电容，每个桥臂均包含一个电感和至少一个与电感串联的子模块；每个子模块均具有相同结构，包含一个上开关管、一个下开关管和一个电容，上开关管与下开关管串联后并接至电容的两侧；
所述桥臂间均压控制是指，通过调节桥臂中点电压的直流分量，使上桥臂和下桥臂电压幅值达到均衡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在保持上下桥臂电压互补的前提下，通过改变模块化逆变电路上桥臂和下桥臂的占空比，实现对桥臂中点电压的直流分量的调节。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，具体包括步骤：将上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到占空比调节角θ，送入PWM发生器生成上桥臂子模块的驱动信号g11～g1N和下桥臂子模块的驱动信号g21～g2N，实现上桥臂电压varm1与下桥臂电压varm2占空比的调节。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，两个桥臂占空比调节的角度大于-90度小于90度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选择模块化逆变电路上桥臂或者下桥臂中的冗余子模块参与电压调节，实现对桥臂中点电压的直流分量的调节。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，具体包括步骤：上桥臂子模块电容电压平均值与下桥臂子模块电容电压平均值作差，差值经补偿器得到冗余子模块导通角送入PWM发生器生成上桥臂子模块的驱动信号g11～g1N和下桥臂子模块的驱动信号g21～g2N，使冗余子模块导通角，调节桥臂中点直流电压分量为输入电压的一半。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的选择冗余子模块个数为至少一个。
8.根据权利要求1至7任意一项中所述的方法，其特征在于，模块化逆变电路上、下桥臂中每个子模块中的上、下功率开关器件的导通角互补，且不会同时导通。
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