CN112994485B - 一种三电平变换电路和变换器 - Google Patents

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Abstract

一种三电平变换电路和变换器，电路包括：第一半桥支路、第二半桥支路、第三半桥支路和母线电容支路；第一半桥支路的第一端与母线电容的第一端相连；第一半桥支路的第二端与第二半桥支路的第一端；第二半桥支路的第二端与母线电容的第二端相连；第三半桥支路的第一端与第一半桥支路的中点相连；第三半桥支路的第二端与第二半桥支路的中点相连；第三半桥支路的中点与母线电容支路的中点相连；第一半桥支路、第二半桥支路以及第三半桥支路中的开关管均包括：控制开关、与控制开关反向并联的寄生二极管以及与控制开关并联的寄生电容；可以通过控制第三半桥中开关管的导通时机的方式，来解决三电平变换器在工作过程中内管电压与外管电压不一致的问题。

Description

一种三电平变换电路和变换器
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种三电平变换电路和变换器。
背景技术
随着国家对分布电源项目配套政策和标准的完善，在未来相当长的一段时间内，分布式电源尤其是分布式光伏发电将呈现快速发展趋势。随着分布式能源大量接入，我国配电网建设与发展也将受到广泛影响。伴随着全控型功率半导体技术的迅猛发展，给直流电能在输、配电的舞台上带来了新的机会，电力电子变换器能将电力交流和直流互相转换(从交流转换为直流(整流)，直流转换为交流(逆变)，直流转换为直流(斩波)，交流转换为交流(变频))，将得到大力的研究和应用。
三电平变换器具有开关器件电压等级低、输出的纹波小等特点，已成为中高压变流领域的主流产品，包括目前的微电网、高压直流输电都有应用。
现有的三电平变换器的电路中通常使用二极管进行钳位，这种设计方式会使得变换电路中元器件的种类增加，使得变换电路内杂散电容差异大，导致变换器内各个开关器件电压不均。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种三电平变换电路和变换器，以解决变换器内各个开关器件电压不均的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种三电平变换电路，包括：
第一半桥支路、第二半桥支路、第三半桥支路和母线电容支路；
所述第一半桥支路的第一端与母线电容的第一端相连；
所述第一半桥支路的第二端与所述第二半桥支路的第一端；
所述第二半桥支路的第二端与母线电容的第二端相连；
所述第三半桥支路的第一端与所述第一半桥支路的中点相连；
所述第三半桥支路的第二端与所述第二半桥支路的中点相连；
所述第三半桥支路的中点与所述母线电容支路的中点相连；
所述第一半桥支路、第二半桥支路以及第三半桥支路中的开关管均包括：
控制开关、与所述控制开关反向并联的寄生二极管以及与所述控制开关并联的寄生电容；
所述第一半桥支路的第二端作为所述变换电路的第一输入端；
所述第三半桥支路的中点作为所述变换电路的第二输入端；
所述母线电容的第一端作为所述三电平变换电路的第一输出端；
所述母线电容的第二端作为所述三电平变换电路的第二输出端。
可选的，上述三电平变换电路，还包括：
均压控制器，所述均压控制器用于：在所述三电平变换电路的输入电压由第一电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路中与所述第一电平相匹配的开关管导通，在所述三电平变换电路的输入电平由第二电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路中与所述第二电平相匹配的开关管导通。
可选的，上述三电平变换电路，还包括：
三电平变频控制器，用于依据预设控制逻辑控制所述第一半桥支路和第二半桥支路，以使得所述三电平变换电路的输出信号在第一电平、0电平以及第二电平之间切换。
可选的，上述三电平变换电路，所述第三半桥支路中的开关管的导通时间与其对应的寄生电容的大小相匹配。
可选的，上述三电平变换电路，还包括：
与所述第一半桥支路的上桥臂并联的第一均压电容；
与所述第二半桥支路的上桥臂并联的第二均压电容。
可选的，上述三电平变换电路，第一半桥支路、第二半桥支路以及第三半桥支路中的控制开关对应的寄生电容的规格相同。
一种三电平变换器，包括上述任意一项所述的三电平变换电路。
可选的，上述三电平变换器中，还包括：
变流电路和谐振电路；
所述变流电路的输出端与所述谐振电路的输入端相连；
所述谐振电路的第一输出端与所述三电平变换电路的第一输入端相连；
所述谐振电路的第二输出端与所述三电平变换电路的第二输入端相连。
可选的，上述三电平变换器中，所述变流电路为但不限于：带隔直电容的半桥、带分离直流链路的半桥、H桥或三电平半桥。
可选的，上述三电平变换器中，所述谐振电路为但不限于：LLC谐振网络或CLLC谐振网络。
基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，通过将所述第三半桥支路中开关管设置为具有反向并联的寄生二极管以及与所述控制开关并联的寄生电容的形式，因此，可以通过控制所述第三半桥支路中开关管的导通时机的方式，来解决三电平变换器在工作过程中内管电压与外管电压不一致的问题，为解决三电平变换器在工作过程中内管电压与外管电压不一致的问题提供了硬件基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的三电平变换电路的结构示意图；
图2为本申请实施例公开的三电平变换电路的结构示意图的信号时序图；
图3为本申请实施例提供的变换器的结构示意图；
图4-图7分别为本申请实施例提供的三电平变换器的结构示意图；
图8-图9分别为本申请实施例公开的谐振电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术中，三电平变换电路内元器件种类较多，导致变换电路内杂散电容差异大，使得变换器内各个开关器件电压不均的问题，本申请公开了一种三电平变换电路，参见图1，该变换电路可以包括：
第一半桥支路10、第二半桥支路20、第三半桥支路30和母线电容支路40；
所述第一半桥支路10的第一端与母线电容的第一端相连；
所述第一半桥支路10的第二端与所述第二半桥支路20的第一端；
所述第二半桥支路20的第二端与母线电容的第二端相连；
所述第三半桥支路30的第一端与所述第一半桥支路10的中点相连，其中，所述第一半桥支路10的中点指的是所述第一半桥支路10中两个开关管的公共端，参见图1，在本申请实施例公开的技术方案中，所述第一半桥支路10由第一开关管和第二开关管串联而成，所述第一半桥支路10的中点指的是所述第一开关管和第二开关管的公共端；
所述第三半桥支路30的第二端与所述第二半桥支路20的中点相连，所述第二半桥支路20的中点指的是所述第二半桥支路20中两个开关管的公共端，参见图1，在本申请实施例公开的技术方案中，所述第二半桥支路20由第三开关管和第四开关管串联而成，所述第二半桥支路20的中点指的是所述第三开关管和第四开关管的公共端；
所述第三半桥支路30的中点与所述母线电容支路40的中点相连，所述第三半桥支路30的中点指的是所述第三半桥支路30中两个开关管的公共端，参见图1，在本申请实施例公开的技术方案中，所述第三半桥支路30由第五开关管和第六开关管串联而成，所述第三半桥支路30的中点指的是所述第五开关管和第六开关管的公共端，所述母线电容支路40的中点指的是所述母线电容支路40中的两个母线电容的公共端，参见图1，在本申请实施例公开的技术方案中，所述母线电容支路40由第一母线电容和第二母线电容构成，所述母线电容支路40的中点指的是所述第一母线电容和所述第二母线电容的公共端；
参见图1，在本实施例中，所述第一半桥支路10、第二半桥支路20以及第三半桥支路30中的各个开关管均包括：
控制开关、与所述控制开关反向并联的寄生二极管以及与所述控制开关并联的寄生电容；
在上述方案中，所述第一半桥支路10的第二端作为所述变换电路的第一输入端；所述第三半桥支路30的中点作为所述变换电路的第二输入端；所述母线电容的第一端作为所述三电平变换电路的第一输出端；所述母线电容的第二端作为所述三电平变换电路的第二输出端。
当运行本申请实施例公开的三电平变换电路，可以通过控制所述第三半桥支路30中开关管的导通时机的方式，来解决三电平变换器在工作过程中内管电压与外管电压不一致的问题，为解决三电平变换器在工作过程中内管电压与外管电压不一致的问题提供了硬件基础。
具体分析如下：
图2中用于表征所述三电平变换电路的输出信号与所述第三半桥支路30中的开关管的道统实际的关系示意图；
图2中上半部分中，低电平用于表征开关管S5截止，高电平用于表征开关管S5导通，图2中下半部分用于表示三电平变换器的输出信号；
参见图2，所述三电平变换器在工作时包括三个过程，即，过程1、过程2和过程3；
过程1：t0时刻到t1时刻，在过程1中三电平变换器的输入电流电压经过所述三电平变换电路中第一半桥支路10中的开关管S1和开关管S2反并联的二极管整流后输出；
过程2：在t1时刻到t2时刻，在过程2中三电平变换器的输入电压逐渐下降至0，即图中的UNPC为0，由基尔霍夫定律可以得到公式：
UNPC+US2+US1＝UC 公式(1)；
其中，UNPC为三电平变换器的输入电压，US2为所述第一半桥支路10中开关管S2的电压，US1为所述第一半桥支路10中开关管S1的电压，所述UC为所述电容支路中第一母线电容C1两端的电压。
(UC–△U)+(0+△U)＝UC 公式(2)；
其中，△U代表的是开关管S1电压上升后的电压值，(UC–△U)代表的是开关管S5电压跌落后的电压值，所述开关管S1和开关管S5两端的电压变化量相等。
iS1+iDC1＝iS2 公式(3)
其中，iS1表示流过所述开关管S1的电流值，所述iS2表示流过所述开关管S2的电流值，iDC1表示流过所述开关管S5的电流值。
UC为母线电容电压可将其视为常值，由公式(1)可知：随UNPC下降至0时，US2与US1的电压将会上升，直至两者相加之和等于UC。
△U代表的是开关管S1电压上升后的电压值，(UC–△U)代表的是开关管S5电压跌落后的电压值，由公式(2)可知，开关管S1和开关管S5的电压变化量一定相等。
假设所有开关管的寄生电容电压相等，所以结合公式(3)可知，因为S1管的电荷和S5管的电荷都流向S2管，因此S2管上的电压变化量将等于S1管或S5管上电压变化量的两倍。所以可以列出方程：
(0+△U)+(0+2△U)＝UC 公式(4)
解得电压变化量△U等于UC/3。开关管S6、开关管S3以及开关管S4的分析过程类似，所以在t2时刻开关管S1上的电压为UC/3，S2管上的电压为2UC/3。
过程3：t2时刻后，开关管S1和开关管S2的寄生电容继续充电，S5管的寄生电容继续放电，同样开关管S2上的电压变化量将等于开关管S1或开关管S5上电压变化量的两倍，所以开关管S1上的电压将等于2UC/3，S2管上的电压将等于4UC/3，因此，会导致开关管S2与开关管S1上的电压不平衡的问题。
针对上述问题，该发明的方法是利用开关管S5和开关管S6，在t1时刻(变换器输入电流切换为0的时刻)导通开关管S5(开关管S6类似)，所述开关管S5(开关管S6)的导通时间可根据寄生电容的大小来确定，即，第三半桥支路30中的开关管(开关管S5或开关管S6)的导通时间与其对应的寄生电容的大小相匹配。一般2us的时间就满足要求，即，当所述变换器的输入端刘切换为0时，所述开关管S5或开关管S6的导通持续时长为2us，当开关管S5导通时，从拓扑图中可以方便的看出开关管S1和开关管S2的电压都将限制在UC以内，从而实现内外管的均压。
进一步的，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述三电平变换电路，也可以包括均压器，所述均压器用于控制所述第三半桥支路30中的开关管的导通状态，具体的，所述均压控制器用于：在所述三电平变换电路的输出电平由第一电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路30中与所述第一电平相匹配的开关管导通，在所述三电平变换电路的输出电平由第二电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路30中与所述第二电平相匹配的开关管导通。
除了所述均压器之外，所述上述电路还可以包括三电平变频控制器，所述三电平变频控制器用于控制所述三电平变频器的输出，具体的，所述三电平变频控制器，用于依据预设控制逻辑控制所述第一半桥支路10和第二半桥支路20，以使得所述三电平变换电路的输出信号在第一电平、0电平以及第二电平之间切换。
进一步的，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述三电平变换电路也可以为无源电路，即，上述电路还可以包括：与所述第一半桥支路10的上桥臂并联的第一均压电容；与所述第二半桥支路20的上桥臂并联的第二均压电容。
进一步的，本申请上述电路中，各个开关管的规格可以依据用户需求自行配置，作为一优选实施例，本申请上述方案中，所述第一半桥支路10、第二半桥支路20以及第三半桥支路30中的控制开关对应的寄生电容的规格相同。
对应于上述变频电路，本申请还公开了一种三电平变换器，其可以应用有上述任意一项实施例所述的三电平变换电路。
进一步的，参见图3，所述三电平变换器除了包括三电平变频电路之外，还可以具有变流电路a和谐振电路b；
其中，所述变流电路的输出端与所述谐振电路的输入端相连；
所述谐振电路的第一输出端与所述三电平变换电路的第一输入端相连；
所述谐振电路的第二输出端与所述三电平变换电路的第二输入端相连。
所述变流电路的类型可以依据用户需求自行选择，例如，参见图4-图7，其可以为但不限于：带隔直电容的半桥、带分离直流链路的半桥、H桥或三电平半桥。
所述谐振电路的类型可以依据用户需求自行选择，例如，参见图8-图9其可以为但不限于：LLC谐振网络或CLLC谐振网络。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种三电平变换电路，其特征在于，包括：
第一半桥支路、第二半桥支路、第三半桥支路和母线电容支路；
所述第一半桥支路的第一端与母线电容的第一端相连；
所述第一半桥支路的第二端与所述第二半桥支路的第一端；
所述第二半桥支路的第二端与母线电容的第二端相连；
所述第三半桥支路的第一端与所述第一半桥支路的中点相连；
所述第三半桥支路的第二端与所述第二半桥支路的中点相连；
所述第三半桥支路的中点与所述母线电容支路的中点相连；
所述第一半桥支路、第二半桥支路以及第三半桥支路中的开关管均包括：
控制开关、与所述控制开关反向并联的寄生二极管以及与所述控制开关并联的寄生电容；
所述第一半桥支路的第二端作为所述变换电路的第一输入端；
所述第三半桥支路的中点作为所述变换电路的第二输入端；
所述母线电容的第一端作为所述三电平变换电路的第一输出端；
所述母线电容的第二端作为所述三电平变换电路的第二输出端；
均压控制器，所述均压控制器用于：在所述三电平变换电路的输入电压由第一电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路中与所述第一电平相匹配的开关管导通，在所述三电平变换电路的输入电平由第二电平切换为零电平时，控制所述第三半桥支路中与所述第二电平相匹配的开关管导通；所述第三半桥支路中的开关管的导通时间与其对应的寄生电容的大小相匹配；
还包括：
与所述第一半桥支路的上桥臂并联的第一均压电容；
与所述第二半桥支路的上桥臂并联的第二均压电容；
第一半桥支路、第二半桥支路以及第三半桥支路中的控制开关对应的寄生电容的规格相同。
2.根据权利要求1所述的三电平变换电路，其特征在于，还包括：
三电平变频控制器，用于依据预设控制逻辑控制所述第一半桥支路和第二半桥支路，以使得所述三电平变换电路的输出信号在第一电平、0电平以及第二电平之间切换。
3.一种三电平变换器，其特征在于，包括权利要求1-2任意一项所述的三电平变换电路。
4.根据权利要求3所述的三电平变换器，其特征在于，还包括：
变流电路和谐振电路；
所述变流电路的输出端与所述谐振电路的输入端相连；
所述谐振电路的第一输出端与所述三电平变换电路的第一输入端相连；
所述谐振电路的第二输出端与所述三电平变换电路的第二输入端相连。
5.根据权利要求4所述的三电平变换器，其特征在于，所述变流电路为：带隔直电容的半桥、带分离直流链路的半桥、H桥或三电平半桥。
6.根据权利要求4所述的三电平变换器，其特征在于，所述谐振电路为：LLC谐振网络或CLLC谐振网络。
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