CN111740626A - X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法 - Google Patents

X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了X型模块化扩展多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括正向桥臂、开关电容单元Ⅰ、开关电容单元Ⅱ与反向桥臂，所述开关电容Ⅰ和开关电容单元Ⅱ为相同结构的开关电容单元，所述正向桥臂的中心点和反向桥臂的中心点，作为多电平变换器的交流电压输出端，该X型模块化扩展多电平变换器具有七种工作模态且可通过拓扑扩展构成更多种工作模态，其开关管的最大电压应力不随电压增益的增加而增大，最大电压应力均不超过直流侧输入电压的2倍，适用于中低压和高压场合。

Description

X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种多电平变换器，具体的说，涉及了一种X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法。
背景技术
随着煤炭，石油和天然气等不可再生能源逐年减少，空气污染日益严重，太阳能和风能等清洁可再生能源的使用也在增加。因此，光伏发电由于其分布广泛，生产过程清洁，维护方便等优点而越来越多地投入生产。
直流到交流的转换是光伏发电的重要环节，因此研究变换器具有非常重要的意义。
由直流电源、有源开关、功率二极管和其他组件组成的多电平变换器可以生成总谐波失真较低的电压波形，并在能量转换中起重要作用。传统的多电平变换器通常分为二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型。但是，二极管钳位型和飞电容型多电平变换器分别使用大量的钳位二极管和钳位电容器来实现多电平输出，级联的H桥型多电平变换器可以通过串联的H桥输出多电平波形，但是该拓扑需要大量独立的DC电源。
开关电容器结构具有效率高，电压增益大，体积小等优点，因此已逐渐应用于多电平变换器的研究，已成为多电平变换器的主要研究重点。
但是，随着可扩展开关电容多电平变换器的H桥上的电压应力随着输出电压的增加而增加，开关的性能受限导致选择变得困难，这限制了这种变换器的扩展和在高压大功率场合的实际应用。
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种开关管的最大电压应力不随电压增益的增大而变大、开关管的最大电压应力不超过直流侧输入电压的2倍、适用于中低压和高压大功率场合的X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种X型模块化扩展多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括正向桥臂、开关电容单元Ⅰ、开关电容单元Ⅱ与反向桥臂，所述开关电容Ⅰ和开关电容单元Ⅱ为相同结构的开关电容单元，所述正向桥臂的中心点和反向桥臂的中心点，作为多电平变换器的交流电压输出端；
所述正向桥臂包括串联的开关管S1和开关管S2，所述开关管S1的集电极连接开关管S2的发射极，所述开关管S2的集电极连接直流电压源Vdc的正极，所述开关管S1的发射极连接直流电压源Vdc的负极，所述开关管S1的集电极与开关管S2的发射极的中点用于连接负载的一端；
所述开关电容单元Ⅰ包括开关管S11、开关管S12、开关管S13、开关管S14、开关管S15和电容C1，所述开关管S11的发射极分别连接所述直流电压源Vdc的负极、开关管S1的发射极和所述开关管S14的发射极，所述开关管S11的集电极连接所述开关管S12的集电极；所述开关管S12的发射极分别连接所述电容C1的阴极和所述开关管S13的发射极；所述开关管S13的集电极分别连接所述直流电压源Vdc的正极、所述开关管S2的集电极和开关管S15的集电极；所述开关管S14的集电极分别连接所述电容C1的正极和所述开关管S15的发射极；
所述开关电容单元Ⅱ包括开关管S21、开关管S22、开关管S23、开关管S24、开关管S25和电容C2，所述开关管S21的发射极分别连接所述电容C1的负极和所述开关管S24的发射极，所述开关管S21的集电极连接所述开关管S22的集电极；所述开关管S22的发射极分别连接所述电容C2的负极和所述开关管S23的发射极；所述开关管S23的集电极分别连接所述电容C1的正极和开关管S25的集电极；所述开关管S24的集电极分别连接所述电容C2的正极和所述开关管S25的发射极；
所述反向桥臂包括串联的开关管S3和开关管S4，所述开关管S4的发射极连接开关管S3的集电极，所述开关管S4的集电极连接电容C2的正极，所述开关管S3的发射极连接电容C2的负极，所述开关管S3的集电极与开关管S4的发射极的中点用于连接负载的另一端。
基上所述，所述直流电压源Vdc和所述反向桥臂之间设置有至少三个开关电容单元，各开关电容单元的结构与所述开关电容Ⅰ或开关电容单元Ⅱ的结构相同。
一种基于所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法，包括七种工作模态的切换；
工作模态Ⅰ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S13和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc；
工作模态Ⅱ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc；
工作模态Ⅲ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc；
工作模态Ⅳ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12、开关管S15和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22、开关管S25导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为0；
工作模态Ⅴ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc。
工作模态Ⅵ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc；
工作模态Ⅶ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S2导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明所设计的X型模块化扩展多电平变换器，在工作模式下，随着输出电压的提高，各开关管的最大电压应力并不随电压增益的增加而变大，开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压的2倍，有效解决了开关电容多电平变换器中输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的技术问题，使得本发明适用于中低压及高压大功率场合，扩展了变换器的应用范围。
进一步的，该X型模块化扩展多电平变换器可拓扑扩展，当开关电容单元增加到n-1个时，变换器的输出电压增益为n Vdc，输出电平数为2n+1，各个开关管承受的最大电压应力仍然为2Vdc。
附图说明
图1是本发明中X型模块化扩展多电平变换器的拓扑结构图。
图2是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅰ下的电路原理图。
图3是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅱ下的电路原理图。
图4是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅲ下的电路原理图。
图5是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅳ下的电路原理图。
图6是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅴ下的电路原理图。
图7是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅵ下的电路原理图。
图8是本发明中X型模块化扩展多电平变换器工作模态Ⅶ下的电路原理图。
图9是本发明中X型模块化扩展多电平变换器的变换拓扑工作模态的调制方法原理图。
图10为纯阻性负载条件下采用本发明的变换器的输出电压、输出电流的仿真波形。
图11为阻感性负载条件下采用本发明的变换器的输出电压、输出电流的仿真波形。
图12为电容电压的仿真波形。
图13、图14和图15为开关管电压波形图。
图16是本发明中X型模块化扩展多电平变换器的扩展结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，一种X型模块化扩展多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，包括正向桥臂、开关电容单元Ⅰ、开关电容单元Ⅱ与反向桥臂，所述开关电容Ⅰ和开关电容单元Ⅱ为相同结构的开关电容单元，所述正向桥臂的中心点和反向桥臂的中心点，作为多电平变换器的交流电压输出端。
所述正向桥臂包括串联的开关管S1和开关管S2，所述开关管S1的集电极连接开关管S2的发射极，所述开关管S2的集电极连接直流电压源Vdc的正极，所述开关管S1的发射极连接直流电压源Vdc的负极，所述开关管S1的集电极与开关管S2的发射极的中点用于连接负载的一端。
所述开关电容单元Ⅰ包括开关管S11、开关管S12、开关管S13、开关管S14、开关管S15和电容C1，所述开关管S11的发射极分别连接所述直流电压源Vdc的负极、开关管S1的发射极和所述开关管S14的发射极，所述开关管S11的集电极连接所述开关管S12的集电极；所述开关管S12的发射极分别连接所述电容C1的阴极和所述开关管S13的发射极；所述开关管S13的集电极分别连接所述直流电压源Vdc的正极、所述开关管S2的集电极和开关管S15的集电极；所述开关管S14的集电极分别连接所述电容C1的正极和所述开关管S15的发射极。
所述开关电容单元Ⅱ包括开关管S21、开关管S22、开关管S23、开关管S24、开关管S25和电容C2，所述开关管S21的发射极分别连接所述电容C1的负极和所述开关管S24的发射极，所述开关管S21的集电极连接所述开关管S22的集电极；所述开关管S22的发射极分别连接所述电容C2的负极和所述开关管S23的发射极；所述开关管S23的集电极分别连接所述电容C1的正极和开关管S25的集电极；所述开关管S24的集电极分别连接所述电容C2的正极和所述开关管S25的发射极。
所述反向桥臂包括串联的开关管S3和开关管S4，所述开关管S4的发射极连接开关管S3的集电极，所述开关管S4的集电极连接电容C2的正极，所述开关管S3的发射极连接电容C2的负极，所述开关管S3的集电极与开关管S4的发射极的中点用于连接负载的另一端。
其中，开关管S15、S25为三极管构成的开关管，其它开关管为反向并联有续流二极管的IGBT或MOSFET。
上述基于所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法，包括七种工作模态的切换；
工作模态Ⅰ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S13和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc。
在工作模态Ⅰ下，所述直流侧电压源、所述开关管S1、所述开关管S4、所述开关管S13、所述开关管S23、所述电容C1、所述电容C2与所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为2Vdc。
工作模态Ⅱ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc。
在工作模态Ⅱ下，所述开关管S1、所述开关管S4、所述开关管S11、所述开关管S12、所述开关管S23、所述电容C1、所述电容C2和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为2Vdc。
工作模态Ⅲ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc。
在工作模态Ⅲ下，所述开关管S1、所述开关管S4、所述开关管S11、所述开关管S12、所述开关管S21、所述开关管S22、所述电容C2和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为Vdc。
工作模态Ⅳ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12、开关管S15和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22、开关管S25导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为0。
在工作模态Ⅳ下，所述直流侧电压源、开关管S1、所述开关管S3、所述开关管S11、所述开关管S12、所述开关管S15、所述开关管S21、所述开关管S22、所述开关管S25、所述电容C1、所述电容C2和所述负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为0。
工作模态Ⅴ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc。
在工作模态Ⅴ下，所述开关管S1、所述开关管S3、所述开关管S11和所述开关管S12、所述开关管S24、所述电容C2和负载构成回路工作；此时开关管承受的最大电压应力为Vdc。
工作模态Ⅵ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc。
在工作模态Ⅵ下，所述开关管S1、所述开关管S3、所述开关管S14、所述开关管S24、所述电容C1、所述电容C2和负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为2Vdc。
工作模态Ⅶ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S2导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc。
在工作模态Ⅶ下，所述直流侧电压源、所述开关管S2、所述开关管S3、所述开关管S14、所述开关管S24、所述电容C1、所述电容C2和负载构成工作回路；此时开关管承受的最大电压应力为2Vdc。
在七种工作模态下，该X型模块化扩展多电平变换器的拓扑结构中开关管的最大电压应力均不超过直流侧输入电压的2倍，从而解决了开关电容多电平变换器输出电压增高导致开关管承受的电压应力过大的问题，使得本发明适用于中低压及高压大功率场合。
在本实施例中的X型模块化扩展多电平变换器的基础上，提出了其调制方法如附图9所示，本实施例还给出了获得各个开关器件的驱动信号的具体实施方式。各个开关管的驱动信号的表达式为：
Figure BDA0002517173980000091
e1，e2和e3是正半周期输出电压的三角载波，而e4，e5和e6是负半周输出电压的三角载波。将这些三角载波与正弦信号进行比较以生成开关信号u1-u6，然后通过逻辑组合生成开关S1-S4，S11-S15和S21-S25的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作；D1，D2和D3是正半周期中每个电平的间隔。
本实施例通过仿真对该多电平变换器及其控制方法进行了验证。设置：直流输入电压为30V，负载50Ω-75mH，电容为2200μF，开关频率为2kHz。
根据上述控制方法对该多电平变换器进行调制，如附图10和附图11所示，本实施例给出了纯阻性负载和阻感性负载条件下输出电压和输出电流的波形。从附图10中可以看出，在纯阻性负载条件下，输出电压的幅度为90V，每两个电平之间的差为30V。输出电流也是七电平波形。从附图11中可以看出，在阻感性负载条件下，输出电压也是多电平波形，但输出电流是正弦波。显然，变换器可以承载感性和纯阻性负载。
如附图12所示，本实施例给出了该多电平变换器的电容电压的纹波，由图可知波动范围在27V至33V之间，满足电容器电压纹波范围的设计要求。
如附图13、附图14和附图15所示，本实施例给出了该多电平变换器的开关管S1-S4和S11-S16电压应力波形，从图中可以看出，开关S13，S14，S23和S24承受的最大电压应力为60V，即2Vdc，其他开关承受的电压应力在0-30V之间变化，与分析一致。
实施例2
如图16所示，所述直流电压源Vdc和所述反向桥臂之间设置有至少三个开关电容单元，各开关电容单元的结构与所述开关电容Ⅰ或开关电容单元Ⅱ的结构相同，每增加一个开关电容单元，输出电压增益增加Vdc,输出电平增加2，当开关电容单元增加到n-1个时，变换器的输出电压增益为nVdc，输出电平数为2n+1，各个开关管承受的最大电压应力依然为2Vdc，使得各个开关管受到保护，使得该多电平变换器适用于中低压及高压大功率场合，扩展了变换器的应用范围。
实施例3
一种X型模块化扩展多电平变换系统，包括控制器和多电平变换器，所述多电平变换器为所述的X型模块化扩展多电平变换器，所述控制器控制所述X型模块化扩展多电平变换器中的开关管动作时，执行所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法的步骤。
所述控制器包括DSP和FPGA以及外围电路，所述控制器与多电平变换器通信连接，以通过调节开关管通断，实现工作模态的调整。
实施例4
一种可读存储介质，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种X型模块化扩展多电平变换器，设置在直流电压源Vdc与负载之间，其特征在于：包括正向桥臂、开关电容单元Ⅰ、开关电容单元Ⅱ与反向桥臂，所述开关电容Ⅰ和开关电容单元Ⅱ为相同结构的开关电容单元，所述正向桥臂的中心点和反向桥臂的中心点，作为多电平变换器的交流电压输出端；
所述正向桥臂包括串联的开关管S1和开关管S2，所述开关管S1的集电极连接开关管S2的发射极，所述开关管S2的集电极连接直流电压源Vdc的正极，所述开关管S1的发射极连接直流电压源Vdc的负极，所述开关管S1的集电极与开关管S2的发射极的中点用于连接负载的一端；
所述开关电容单元Ⅰ包括开关管S11、开关管S12、开关管S13、开关管S14、开关管S15和电容C1，所述开关管S11的发射极分别连接所述直流电压源Vdc的负极、开关管S1的发射极和所述开关管S14的发射极，所述开关管S11的集电极连接所述开关管S12的集电极；所述开关管S12的发射极分别连接所述电容C1的阴极和所述开关管S13的发射极；所述开关管S13的集电极分别连接所述直流电压源Vdc的正极、所述开关管S2的集电极和开关管S15的集电极；所述开关管S14的集电极分别连接所述电容C1的正极和所述开关管S15的发射极；
所述开关电容单元Ⅱ包括开关管S21、开关管S22、开关管S23、开关管S24、开关管S25和电容C2，所述开关管S21的发射极分别连接所述电容C1的负极和所述开关管S24的发射极，所述开关管S21的集电极连接所述开关管S22的集电极；所述开关管S22的发射极分别连接所述电容C2的负极和所述开关管S23的发射极；所述开关管S23的集电极分别连接所述电容C1的正极和开关管S25的集电极；所述开关管S24的集电极分别连接所述电容C2的正极和所述开关管S25的发射极；
所述反向桥臂包括串联的开关管S3和开关管S4，所述开关管S4的发射极连接开关管S3的集电极，所述开关管S4的集电极连接电容C2的正极，所述开关管S3的发射极连接电容C2的负极，所述开关管S3的集电极与开关管S4的发射极的中点用于连接负载的另一端。
2.根据权利要求1所述的X型模块化扩展多电平变换器，其特征在于：所述直流电压源Vdc和所述反向桥臂之间设置有至少三个开关电容单元，各开关电容单元的结构与所述开关电容Ⅰ或开关电容单元Ⅱ的结构相同。
3.一种基于权利要求1和2所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法，其特征在于：包括七种工作模态的切换；
工作模态Ⅰ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S13和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc；
工作模态Ⅱ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S23导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc；
工作模态Ⅲ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S4导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc；
工作模态Ⅳ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12、开关管S15和开关电容单元Ⅱ中的开关管S21、开关管S22、开关管S25导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为0；
工作模态Ⅴ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S11、开关管S12和开关电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc。
工作模态Ⅵ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S1导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc；
工作模态Ⅶ
设置：所述开关电容单元Ⅰ中的开关管S14和电容单元Ⅱ中的开关管S24导通，所述正向桥臂的开关管S2导通，所述反向桥臂的开关管S3导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc。
4.根据权利要求2所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法，其特征在于：
驱动信号时，e1，e2和e3是正半周期输出电压的三角载波，而e4，e5和e6是负半周输出电压的三角载波，将这些三角载波与正弦信号进行比较以生成开关信号u1-u6，然后通过逻辑组合生成开关S1-S4，S11-S15和S21-S25的驱动信号，根据所述驱动信号驱动相应开关管动作；D1，D2和D3是正半周期中每个电平的间隔，各个开关管的驱动信号的表达式为：
Figure FDA0002517173970000031
5.一种X型模块化扩展多电平变换系统，包括控制器和多电平变换器，其特征在于：所述多电平变换器为权利要求1或2所述的X型模块化扩展多电平变换器。
6.根据权利要求5所述的X型模块化扩展多电平变换系统，其特征在于：所述控制器控制所述X型模块化扩展多电平变换器中的开关管动作时，执行权利要求3或4所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法的步骤。
7.一种可读存储介质，其上存储有指令，其特征在于：该指令被处理器执行时实现如权利要求3或4所述的X型模块化扩展多电平变换器的控制方法的步骤。
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