CN110768534A - 一种隔离式双半桥anpc有源桥三电平dc/dc变换器 - Google Patents

一种隔离式双半桥anpc有源桥三电平dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器，两个半桥ANPC有源桥、电感和变压器，两个半桥ANPC有源桥分别连接于变压器的两侧；每个半桥ANPC有源桥循环输出正电平、零电平、负电平和零电平；当能量从DC/DC变换器变压器的初级侧流向次级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态；当能量从DC/DC变换器变压器的次级侧流向初级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态；每个半桥ANPC有源桥中的每个开关管承受的电压应力均为母线电压一半。本发明通过ANPC三电平电路实现开关器件的低耐压等级、低成本及低开关损耗。

Description

一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器技术领域，更具体地，涉及一种隔离式双半桥有源中点钳位型(Active Neutral Point Clamped，ANPC)有源桥三电平DC/DC变换器。
背景技术
具有电流隔离和双向传输功率能力的DC/DC变换器能够实现不同电压等级电网间的功率传输和电压变送。双有源桥型(Dual Active Bridge，DAB)DC/DC变换器具有电气隔离、功率密度高、能量可以双向流动和软开关易于实现等优点，已在可再生能源和直流输配电领域的得到了广泛的研究和应用。
常见的DAB拓扑为双H桥DAB，其中开关器件承受的电压应力为直流母线电压。由于全控型功率器件的耐压等级远小于中高压直流电网的电压等级，因此为满足高压大功率的DC/DC变换需求，将多个DAB模块串并联是一种常用的应用方案。通过多个小容量DAB模块串联来承受高直流母线电压，每个DAB模块可以实现软开关，整体装置效率高，其主要缺点是变压器的设计和实施难度极大。模块并联连接时，变压器必须达到相同水平的电气绝缘，其绕组效率低且漏电感大，增加整体系统的尺寸和制造成本；模块一侧串联连接时，绝缘电压要求高，变压器实现难度大，不利于系统的结构设计。提高单模块DAB的电压等级能够有效降低中高压电网接口整体系统中所需要的变压器数量，从而降低整体系统的成本、提高功率密度和可靠性，对各电压等级的直流配电系统都十分重要。
表1 4种三电平电路拓扑的对比
Figure BDA0002241194250000011
Figure BDA0002241194250000021
采用多电平电路拓扑可以利用较低电压等级的开关器件实现较高直流电压等级的变换电路，适用于直流母线电压高的应用场合。在多电平拓扑中，以三电平拓扑的应用最为广泛。相比于两电平电路，三电平电路拓扑具有功率器件电压应力低、电压变化率dv/dt小、等效开关频率高等优点。在DC/DC领域中，基于三电平变换电路拓扑的DAB研究较少。目前在DAB中采用的三电平电路主要有4种，分别是：飞跨电容型(Flying Capacitor，FC)三电平、T型(T-Type)三电平、二极管中点钳位型(Diode Neutral Point Clamped，DNPC)三电平以及二极管和电容混合钳位型的混合式NP，其特性如表1所示。
其中，混合式NPC型三电平和FC型三电平电路中都包含1个飞跨电容、没有中点电压平衡的问题。但是，在高直流母线电压下，所需飞跨电容的成本和体积都很高，导致了系统成本的大幅增加；并且需要对电路的启动过程进行控制，降低了系统的可靠性。T型三电平和DNPC三电平电路均为中点钳位型三电平电路，无需飞跨电容，但是存在中点电压平衡问题，需要对直流母线中点电位进行控制。T型三电平电路的器件数目少，但器件的最大电压应力大，开关损耗较高。DNPC的器件电压应力小，电路的整体成本较低，开关损耗较小。通常情况下，电路中开关器件都具有相同的额定电流。因此，三电平电路的功率器件损耗分布不均衡问题会引起部分开关器件的温升比其它开关器件高。功率器件损耗分布越不均衡，对器件和散热系统的要求就越高，会大大提高电路的成本、降低系统的功率密度。以上4种电路中都不具有冗余开关状态，功率损耗分布不均衡的问题无法改善。
综上所述，基于三电平电路的DAB能够有效提高电路的直流电压等级，但现有的电路拓扑都不能通过控制方法改善功率器件损耗分布，导致成本较高。并且，绝大多数基于三电平电路的DAB中开关器件的电压应力不一致，限制了直流母线电压的提升。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决基于双H桥的双有源桥隔离型双向DC/DC变换器中器件耐压等级高，变换器直流母线电压有限，以及三电平电路的功率器件损耗分布不均衡的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器，其特征在于，包括：两个半桥ANPC有源桥、电感和变压器，所述两个半桥ANPC有源桥分别连接于变压器的两侧，电感连接于变压器的一侧；
每个半桥ANPC有源桥循环输出正电平、零电平、负电平以及零电平；当能量从DC/DC变换器变压器的初级侧流向次级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态；当能量从DC/DC变换器变压器的次级侧流向初级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态；半桥ANPC通过开关管将串联开关管的中点通过有源开关器件连接到两个直流电容的串联中点，使得每个半桥ANPC有源桥中的每个开关管承受的电压应力均为直流母线电压的一半，其中，两个直流电容串联接于直流母线电压，每个直流电容上的电压均为直流母线电压的一半；
当ANPC有源桥的输出在正电平、零电平、负电平以及零电平之间循环切换时，控制距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比ANPC有源桥其他开关管的通态损耗高。
所述ANPC有源桥的直流输入电源可以为两端口的单一直流电源，也可以是三端口的正负直流电源，采用两端口的单一直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，此时可以利用中点电压平衡算法进行辅助优化控制；采用三端口的正负直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，其中点与第一端点相连。可选地，该隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器还包括：移相控制器；
所述移相控制器用于控制DC/DC变换器中的移相角；所述移相角包括：输入侧ANPC有源桥电路内的第一移相角φ1、输出侧ANPC有源桥电路内的第二移相角φ2，输入侧ANPC有源桥电路与输出侧ANPC有源桥电路间的第三移相角φ；当能量从DC/DC变换器变压器的初级侧流向次级侧时，所述第三移相角φ为正；当能量从DC/DC变换器变压器的次级侧流向初级侧时，所述第三移相角φ为负。
可选地，每个半桥ANPC有源桥包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管以及两个直流电容；两个直流电容串联接于直流母线电压，每个直流电容上的电压为直流母线电压的一半；每个开关管均反向并联一个二极管，以提供反向时的电流通路；
所述第一开关管的一端连接第一个直流电容的正极，所述第一开关管的另一端连接第二开关管的一端，所述第二开关管的另一端连接第三开关管的一端，所述第三开关管的另一端连接第四开关管的一端，所述第四开关管的另一端连接第二个直流电容的负极，所述第二个直流电容的正极端与所述第一个直流电容的负极端连接于第一端点；所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端相连接且共接于所述第一端点，所述第五开关管的一端连接第一开关管的另一端，所述第六开关管的另一端连接第三开关管的另一端；
所述第一个直流电容用于提供正电平，所述第二个直流电容用于提供负电平；所述第二开关管的另一端与第三开关管的一端的连接点为ANPC有源桥的输出端，所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端的连接点为ANPC有源桥的直流中线端点；所述ANPC有源桥的输出端和直流中线端点间的电压为ANPC有源桥的输出电压；所述ANPC有源桥的输出端连接电感后和直流中线端点分别连接变压器一侧的两端。
可选地，所述ANPC有源桥的直流输入电源可以为两端口的单一直流电源，也可以是三端口的正负直流电源，采用两端口的单一直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，此时可以利用中点电压平衡算法进行辅助优化控制；采用三端口的正负直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，其中点与第一端点相连。
可选地，当ANPC有源桥输出正电平时，所述第一开关管、第二开关管和第六开关管导通；第三开关管和第四开关管关断，所述第六开关管导通使得第三开关管和第四开关管的串联中点和直流电容的串联中点相连，从而在任意电流方向下可以保证第三开关管和第四开关管承受的电压均为直流母线电压的一半。
具体地，若没有第六开关管，则该位置只有一个二极管，以Q2导通Q3关断的过程为例，Q3关断时，开关管两端电压上升，由于有D6存在，其电压低于直流母线电压的一半时，第一直流分压电容通过二极管对其放电，Q3两端电压持续上升，但当其电压达到直流母线电压的一半时，二极管反向截止，无法进行反向放电，将导致Q3两端电压持续上升，其电压应力超过直流母线电压的一半。
可选地，当ANPC有源桥输出负电平时，所述第三开关管、第四开关管和第五开关管导通；第一开关管和第二开关管关断，所述第五开关管导通使得第一开关管和第二开关管的串联中点和直流电容的串联中点相连，从而在任意电流方向下可以保证第一开关管和第二开关管承受的电压均为直流母线电压的一半。
具体地，若没有第五开关管，则该位置只有一个二极管，以Q3导通Q2关断的过程为例，Q2关断时，开关管两端电压上升，由于有D5存在，其电压低于直流母线电压的一半时，第二直流分压电容通过二极管对其放电，Q2两端电压持续上升，但当其电压达到直流母线电压的一半时，二极管反向截止，无法进行反向放电，将导致Q2两端电压持续上升，其电压应力超过直流母线电压的一半。
可选地，当ANPC有源桥输出零电平时，所述第二开关管和第五开关管导通，和/或所述第三开关管和第六开关管导通；其中，若第五开关管导通或第五开关管关断、第二开关管、第三开关管以及第六开关管导通，则第一开关管关断；若第六开关管导通或第六开关管关断、第二开关管、第三开关管以及第五开关管导通，则第四开关管关断。
可选地，当ANPC有源桥输出零电平时，若所述第二开关管、第三开关管、第五开关管和第六开关管导通；则ANPC有源桥输出各个电平之间通过如下方式切换：
当ANPC有源桥的正电平切换为零电平时，先关断第一开关管，接着开通第五开关管，再开通第三开关管；
当ANPC有源桥的零电平切换为负电平时，先关断第二开关管，再关断第六开关管，接着开通第四开关管。
可选地，当ANPC有源桥的负电平切换为零电平时，先关断第四开关管，接着开通第六开关管，再开通第二开关管；当ANPC有源桥的零电平切换为正电平时，先关断第三开关管，再关断第五开关管，接着开通第一开关管。
可选地，所述第二开关管和第三开关管在输出零电平和非零电平时都产生通态损耗；
所述第一开关管和第四开关管在输出非零电平时产生通态损耗；
所述第五开关管和第六开关管在输出零电平时产生通态损耗；
所述第二开关管和第三开关管均在零电压下开通或者关断，开关损耗为零。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器，通过采用ANPC三电平电路实现开关器件的低耐压等级和低成本，以及低开关损耗；通过ANPC三电平电路具有冗余开关状态的特点改善输入侧功率器件损耗分布，在相同输出功率下降低开关管最大温升，减小所需散热器体积。
本发明提供一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器，可以适用于高直流母线电压的直流功率传输系统中，所需开关管电压等级不高，成本较低，具有低开关损耗、低成本、高效率的优势。
附图说明
图1为本发明提供的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器的结构图；
图2为本发明提供的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器的主电路拓扑图；
图3为本发明提供的ANPC三电平电路拓扑；
图4(a)为本发明实施例中状态P对应的ANPC开关状态的等效电路；
图4(b)为本发明实施例中状态N对应的ANPC开关状态的等效电路；
图4(c)为本发明实施例中状态O对应的ANPC开关状态的等效电路；
图4(d)为本发明实施例中状态L对应的ANPC开关状态的等效电路；
图4(e)为本发明实施例中状态U对应的ANPC开关状态的等效电路；
图5为本发明实施例提供的单开关周期内输出的电压波形、开关状态和驱动信号波形；
图6(a)为本发明实施例提供的输出零电平时的ANPC三电平电路主要零状态O的开关状态图；
图6(b)为本发明实施例提供的输出零电平时的ANPC三电平电路中间零状态L的开关状态图；
图6(c)为本发明实施例提供的输出零电平时的ANPC三电平电路中间零状态U的开关状态图；
图7(a)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态P换流过程中状态O的等效电路；
图7(b)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态P换流过程中状态U的等效电路；
图7(c)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态P换流过程中死区时间的等效电路；
图7(d)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态P换流过程中状态P的等效电路；
图8(a)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态N换流过程中状态O的等效电路；
图8(b)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态N换流过程中状态L的等效电路；
图8(c)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态N换流过程中死区区间的等效电路；
图8(d)为本发明实施例提供的I>0时，状态O切换为状态N换流过程中状态N的等效电路。
图9为本发明实施例提供的第三移相角φ>0时的移相工作波形图；
图10为本发明实施例提供的第三移相角φ<0时的移相工作波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所要解决的技术问题是基于双H桥的双有源桥隔离型双向DC/DC变换器中器件耐压等级高，变换器直流母线电压有限的问题。提供了一种双半桥ANPC三电平构成的隔离式双有源桥DC/DC变换器。该变换器适用于高直流母线电压的直流功率传输系统中。
按照本发明，提供了一种双半桥有源中点钳位型(Active Neutral PointClamped，ANPC)三电平构成的隔离式双有源桥DC/DC变换器。该变换器包括移相控制器和由电感、中高频变压器、及变压器两侧的半桥ANPC三电平电路构成的变换器主电路。
其中，半桥ANPC三电平电路由6个有源开关器件及其反并联二极管构成，可以保证所有开关器件承受的电压应力都为直流母线电压的一半，并且具有冗余开关状态能够通过调制方法及控制方法来改善功率器件的损耗分布。
在本发明隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器中，移相控制器输出三个移相角的控制信号，分别是输入侧ANPC三电平电路的第一移相角φ1，输出侧ANPC三电平电路的第二移相角φ2，输入侧ANPC三电平电路与输出侧ANPC三电平电路间的第三移相角φ。
如图1所示，本发明所提出的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器由主电路及移相控制器构成。其中，主电路从输入侧到输出侧依次有输入侧电源或负载、输入侧ANPC三电平电路、电感、中高频变压器、输出侧ANPC三电平电路、输出侧电源或负载，以上分电路顺次相连。其主电路拓扑图如图2所示。
其中，ANPC三电平电路的电路拓扑如图3所示。该电路由2个直流分压电容和6个有源开关器件及其反并联二极管构成。该电路通过如图4所示的开关状态，可以保证所有开关器件承受的电压应力都为直流母线电压的一半，具体阐述如下：
电路输出正电平时，开关管Q1、Q2开通、开关管Q3、Q4关断。此时，为避免发生短路，开关管Q5关断，其承受的电压应力为直流母线电压的一半Vdc/2。同时，为了更好地稳定开关管Q3和Q4两端的电压，通常使开关管Q6导通，将Q3和Q4两端的电压钳位到Vdc/2。
电路输出负电平时，开关管Q3、Q4开通、开关管Q1、Q2关断。此时，开关管Q6关断，其承受的电压应力为Vdc/2。为了更好地稳定开关管Q1和Q2两端的电压，通常导通开关管Q5，将Q1和Q2两端的电压钳位为Vdc/2。
因此，采用ANPC三电平电路构成DC/DC变换器可以采用较低耐压等级、性能更好的开关器件来实现高直流母线电压下的DC/DC变换器，能够有效提高变换器性能。
同时，ANPC三电平电路输出零电平时，由于Q2、Q3、Q5和Q6都可用于实现零电平的输出，因此，ANPC三电平电路具有更多的零状态。通过选择不同的零状态，可以控制输出零电平时电流流经的路径，从而控制通态损耗的分布。同时，设计不同开关状态间的切换过程，可以控制开关损耗的分布。因此，ANPC三电平的冗余开关状态，使基于调制方法及控制方法来改善功率器件的损耗分布成为了可能。
具体地，所述调制方法的一种解决方法包括如下步骤：
通过控制ANPC有源桥所包含开关管的开通和关断时序，使得ANPC有源桥输出电平在正电平、零电平和负电平之间循环切换；
当ANPC有源桥的输出在正电平、零电平和负电平之间循环切换时，控制距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比ANPC有源桥其他开关管的通态损耗高。
在此解决方法实例中，对DAB中的任意半桥ANPC三电平电路采用5种开关状态，其中包括2种非零电平开关状态、一种双电流支路零电平状态和两种中间零电平状态。单一桥臂ANPC电路拓扑结构如图3所示，采用如表1所示5种开关状态来实现所提出的基于ANPC电路的DAB高效率调制方法，其中，“1”表示开通，而“0”代表关断。开关过程中，以状态P、N和O分别为输出正电平、负电平、零电平时的主开关状态，其等效电路如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。而如图4(d)和图4(c)所示状态L和U为中间零状态，只用于过渡开关状态。
表1用于DAB的ANPC三电平电路的开关状态
Figure BDA0002241194250000111
在ANPC-DAB中，单个ANPC桥臂的开关状态切换序列为P->U->O->L->N->L->O->U->P，对应输出的电压波形和调制波形如图5所示。其中，图5中G1-G6分别表示Q1-Q6的驱动信号，Vac表示ANPC桥臂输出的交流电压，Δt表示中间零状态L或U的持续时间，D表示ANPC桥臂输出非零电平的时间占整个开关周期的占空比，Ts表示ANPC的开关周期。
1.零状态间的切换
如图3所示，Q2、Q3、Q5和Q6均可用于输出零电平。开关状态为O时，如图6(a)所示，这4个开关管均导通，而开关状态为U和L时，如图6(b)和(c)所示，开通其中3个开关管。因此，在开关状态L和U时，关断的Q2或Q3两端的电压始终为0，不受电流方向的影响。因此，状态O和状态U、L间的切换过程始终为零电压开关。
2.零状态和非零状态间的切换
以某一桥臂输出电流I>0为例，对开关切换中的换流过程进行分析如下。
a)O-P
状态O到状态U的切换过程中，Q3为零电压关断。当状态从U切换到P时，需要先关断Q5，如图7(a)-图7(d)所示。此时，由于I>0，电流仍然流经Q2、D5，因此Q5的关断就是零电压关断。一定的死区时间之后，开通Q1，Q1上将产生开通损耗，D5上产生反向恢复损耗。
b)P-O
开关状态为P时，Q1、Q2导通。要将开关状态转换为U时，首先要关断Q1。由于I>0，电流会经过Q2、D5以及Q6、D3续流。经过一定的死区时间，开通Q5，由于D5已经导通，所以Q5的开通过程为零电压开通。因此，开关状态从P切换到U时，只在Q1上产生硬关断损耗。开关状态U持续一定时间后，切换为状态O，零电压开通Q3。
c)O-N
如图8(a)-图8(d)所示，开关状态从O切换为L时，首先零电压关断Q2。I>0时，电流流经Q6、D3。将开关状态切换为N，需要先关断Q6，此时Q6为硬关断，电流经D3、D4续流。经过死区时间后，Q4开通，由于D4已经开通，因此，Q4为零电压开通。
d)N-O
开关状态为N、I>0时，电流流经D3、D4。要将开关状态切换为L需要关断Q4，为零电压关断。一定的死区时间后，开通Q6，此时Q6为硬开通，并且在D4上产生反向恢复损耗。此时，电路开关状态切换为L，输出零电平。状态L切换为状态O需要零电压开通Q2。
同样地，对I<0时的开关切换状态进行了分析，表2和表3分别给出了I>0和I<0时，状态切换过程中开关损耗的分布情况。可见在全部开关过程中，无论电流方向如何，Q2、Q3没有硬开关动作。由于电路特性，Q1、Q4只在输出非零状态时产生通态损耗，而Q5、Q6只在输出零状态时产生通态损耗，只有Q2和Q3在输出零状态或非零状态时都会产生通态损耗。因此，本发明提供的调制方法可以将全部开关损耗集中在Q1、Q4、Q5和Q6上，能够有效改善电路的功率器件损耗分布。
表2 I>0时状态切换过程中开关损耗的分布
Figure BDA0002241194250000131
表3 I<0时状态切换过程中开关损耗的分布
其中，ZVS表示对应开关管在零电压下开通或关断，不会产生开关损耗，硬开通或者硬关断表示对应开关管在开关过程中产生开关损耗，I表示对应二极管发生反向恢复过程时ANPC电路的交流输出电流。基于表2和表3，可得，只要DAB的多重调制控制能够保证相应的ANPC电路在状态切换时满足如表4中的条件，就可以实现全部开关器件的零电压软开通，有效提高变换器效率。
表4零电压软开通条件
Figure BDA0002241194250000141
通过合理选用开关状态，保证了采用ANPC电路的DAB中单桥臂最小的硬开关次数，并且具有较好的功率损耗分布性能，于此同时，配合DAB的多重移相调制能够实现全部器件的零电压开通，进一步降低系统损耗，提高系统效率，降低成本。
在本发明提出的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器中，输入侧半桥ANPC三电平电路内具有第一移相角φ1，输出侧ANPC三电平电路内具有第二移相角φ2，输入侧半桥ANPC三电平电路与输出侧ANPC三电平电路间具有第三移相角φ；三个移相角的控制信号由移相控制器给出。
下面说明本发明隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器移相控制的工作原理。
本发明隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器中输入侧直流电源或负载及输出侧直流电源或负载中至少有一个直流电源作为系统的能量来源。工作模式分为两种，一种是能量从变压器初级侧流向次级侧，此时输入侧半桥ANPC三电平电路处于逆变状态，输出侧ANPC三电平电路处于整流状态，输入侧半桥ANPC三电平电路与输出侧ANPC三电平电路间的第三移相角φ为正；一种是能量从变压器次级侧流向变压器初级侧，此时输入侧半桥ANPC三电平电路处于整流状态，输出侧ANPC三电平电路处于逆变状态，输入侧半桥ANPC三电平电路与输出侧ANPC三电平电路间的第三移相角φ为负。参照图9，给出了在φ>0时的移相工作波形图。其中，V1为变压器初级侧半桥有源中点钳位型三电平电路的输出电压，V2为变压器次级侧半桥有源中点钳位型三电平电路的输出电压，VL为电感上的电压，iL为电感电流。参照图10，给出了在φ<0时的移相工作波形图。
本发明隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器的移相控制在不同的输入/输出电压和负载变化的情况下，通过调节3个移相角，使系统能够传输最大功率，拓宽了开关管的软开关实现的范围，减小了的电压和电流应力及器件的损耗，减小了高频变压器的体积和相对的损耗，减少了无功和环流的存在，也提高了系统的效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隔离式双半桥ANPC有源桥三电平DC/DC变换器，其特征在于，包括：两个半桥ANPC有源桥、电感和变压器，所述两个半桥ANPC有源桥分别连接于变压器的两侧，电感连接于变压器的一侧；
每个半桥ANPC有源桥循环输出正电平、零电平、负电平以及零电平；当能量从DC/DC变换器变压器的初级侧流向次级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态；当能量从DC/DC变换器变压器的次级侧流向初级侧时，DC/DC变换器输入侧的半桥ANPC有源桥电路处于整流状态，输出侧的半桥ANPC有源桥电路处于逆变状态；半桥ANPC通过开关管将串联开关管的中点通过有源开关器件连接到两个直流电容的串联中点，使得每个半桥ANPC有源桥中的每个开关管承受的电压应力均为直流母线电压的一半，其中，两个直流电容串联接于直流母线电压，每个直流电容上的电压均为直流母线电压的一半；
当ANPC有源桥的输出在正电平、零电平、负电平以及零电平之间循环切换时，控制距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比ANPC有源桥其他开关管的通态损耗高。
2.根据权利要求1所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，还包括：移相控制器；
所述移相控制器用于控制DC/DC变换器中的移相角；所述移相角包括：输入侧ANPC有源桥电路内的第一移相角φ1、输出侧ANPC有源桥电路内的第二移相角φ2，输入侧ANPC有源桥电路与输出侧ANPC有源桥电路间的第三移相角φ；当能量从DC/DC变换器变压器的初级侧流向次级侧时，所述第三移相角φ为正；当能量从DC/DC变换器变压器的次级侧流向初级侧时，所述第三移相角φ为负。
3.根据权利要求1所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，每个半桥ANPC有源桥包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管以及两个直流电容；两个直流电容串联接于直流母线电压，每个直流电容上的电压为直流母线电压的一半；每个开关管均反向并联一个二极管，以提供反向时的电流通路；
所述第一开关管的一端连接第一个直流电容的正极，所述第一开关管的另一端连接第二开关管的一端，所述第二开关管的另一端连接第三开关管的一端，所述第三开关管的另一端连接第四开关管的一端，所述第四开关管的另一端连接第二个直流电容的负极，所述第二个直流电容的正极端与所述第一个直流电容的负极端连接于第一端点；所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端相连接且共接于所述第一端点，所述第五开关管的一端连接第一开关管的另一端，所述第六开关管的另一端连接第三开关管的另一端；
所述第一个直流电容用于提供正电平，所述第二个直流电容用于提供负电平；所述第二开关管的另一端与第三开关管的一端的连接点为ANPC有源桥的输出端，所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端的连接点为ANPC有源桥的直流中线端点；所述ANPC有源桥的输出端和直流中线端点间的电压为ANPC有源桥的输出电压；所述ANPC有源桥的输出端连接电感后和直流中线端点分别连接变压器一侧的两端。
4.根据权利要求3所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，所述ANPC有源桥的直流输入电源可以为两端口的单一直流电源，也可以是三端口的正负直流电源，采用两端口的单一直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，此时可以利用中点电压平衡算法进行辅助优化控制；采用三端口的正负直流电源时，其正极与直流第一分压电容的正极相连，其负极与直流第二分压电容的负极相连，其中点与第一端点相连。
5.根据权利要求3所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，当ANPC有源桥输出正电平时，所述第一开关管、第二开关管和第六开关管导通；第三开关管和第四开关管关断，所述第六开关管导通使得第三开关管和第四开关管的串联中点和直流电容的串联中点相连，从而在任意电流方向下可以保证第三开关管和第四开关管承受的电压均为直流母线电压的一半。
6.根据权利要求3所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，当ANPC有源桥输出负电平时，所述第三开关管、第四开关管和第五开关管导通；第一开关管和第二开关管关断，所述第五开关管导通使得第一开关管和第二开关管的串联中点和直流电容的串联中点相连，从而在任意电流方向下可以保证第一开关管和第二开关管承受的电压均为直流母线电压的一半。
7.根据权利要求3所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，当ANPC有源桥输出零电平时，所述第二开关管和第五开关管导通，和/或所述第三开关管和第六开关管导通；其中，若第五开关管导通或第五开关管关断、第二开关管、第三开关管以及第六开关管导通，则第一开关管关断；若第六开关管导通或第六开关管关断、第二开关管、第三开关管以及第五开关管导通，则第四开关管关断。
8.根据权利要求5至7任一项所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，当ANPC有源桥输出零电平时，若所述第二开关管、第三开关管、第五开关管和第六开关管导通；所述距离ANPC有源桥输出端最近的两个开关管为第二开关管和第三开关管；
则ANPC有源桥输出各个电平之间通过如下方式切换：
当ANPC有源桥的正电平切换为零电平时，先关断第一开关管，接着开通第五开关管，再开通第三开关管；
当ANPC有源桥的零电平切换为负电平时，先关断第二开关管，再关断第六开关管，接着开通第四开关管。
9.根据权利要求8所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，当ANPC有源桥的负电平切换为零电平时，先关断第四开关管，接着开通第六开关管，再开通第二开关管；当ANPC有源桥的零电平切换为正电平时，先关断第三开关管，再关断第五开关管，接着开通第一开关管。
10.根据权利要求9所述的隔离式双半桥有源中点钳位型三电平DC/DC变换器，其特征在于，所述第二开关管和第三开关管在输出零电平和非零电平时都产生通态损耗；
所述第一开关管和第四开关管在输出非零电平时产生通态损耗；
所述第五开关管和第六开关管在输出零电平时产生通态损耗；
所述第二开关管和第三开关管均在零电压下开通或者关断，开关损耗为零。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111555633A (zh) * 2020-05-26 2020-08-18 哈尔滨工业大学 一种用于新能源直流并网的直流变压器及其控制方法
CN112532064A (zh) * 2020-11-05 2021-03-19 华中科技大学 一种基于anpc的混合功率器件双有源桥dc/dc变换器
CN113098310A (zh) * 2021-05-24 2021-07-09 青岛大学 一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法
CN113452256A (zh) * 2021-06-21 2021-09-28 华中科技大学 一种采用混合功率器件的anpc-dab变换器、调制方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103620935A (zh) * 2011-03-01 2014-03-05 亚琛工业大学 双向dc-dc变换器
CN106787906A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 电子科技大学 一种anpc三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法
US20170194877A1 (en) * 2015-12-23 2017-07-06 Indian Institute Of Technology Bombay Hybrid multilevel inverter
CN107968586A (zh) * 2017-12-27 2018-04-27 阳光电源股份有限公司 一种有源钳位三电平电路以及直流变换器
CN109327154A (zh) * 2018-11-15 2019-02-12 阳光电源股份有限公司 Anpc型三电平逆变器及其调制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103620935A (zh) * 2011-03-01 2014-03-05 亚琛工业大学 双向dc-dc变换器
US20170194877A1 (en) * 2015-12-23 2017-07-06 Indian Institute Of Technology Bombay Hybrid multilevel inverter
CN106787906A (zh) * 2016-12-27 2017-05-31 电子科技大学 一种anpc三电平逆变器的开关损耗分散分布调制方法
CN107968586A (zh) * 2017-12-27 2018-04-27 阳光电源股份有限公司 一种有源钳位三电平电路以及直流变换器
CN109327154A (zh) * 2018-11-15 2019-02-12 阳光电源股份有限公司 Anpc型三电平逆变器及其调制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALBER FILBA-MARTINEZ ET AL: ""Operating Principle and Performance Optimization of a Three-Level NPC Dual-Active-Bridge DC–DC Converter"", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *
YI DENG ET AL: ""Improved Modulation Scheme for Loss Balancing of Three-Level Active NPC Converters"", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111555633A (zh) * 2020-05-26 2020-08-18 哈尔滨工业大学 一种用于新能源直流并网的直流变压器及其控制方法
CN111555633B (zh) * 2020-05-26 2023-03-24 哈尔滨工业大学 一种用于新能源直流并网的直流变压器及其控制方法
CN112532064A (zh) * 2020-11-05 2021-03-19 华中科技大学 一种基于anpc的混合功率器件双有源桥dc/dc变换器
CN112532064B (zh) * 2020-11-05 2022-03-29 华中科技大学 一种基于anpc的混合功率器件双有源桥dc/dc变换器
CN113098310A (zh) * 2021-05-24 2021-07-09 青岛大学 一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法
CN113098310B (zh) * 2021-05-24 2022-06-07 青岛大学 一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法
CN113452256A (zh) * 2021-06-21 2021-09-28 华中科技大学 一种采用混合功率器件的anpc-dab变换器、调制方法及系统
CN113452256B (zh) * 2021-06-21 2022-06-21 华中科技大学 一种采用混合功率器件的anpc-dab变换器、调制方法及系统

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