CN113224954B - 一种开关电容式三相自耦变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关电容式三相自耦变压器，三组开关电容阶梯模块构成和三个Dual‑Buck变换器，Dual‑Buck变换器与开关电容阶梯型模块最后一级均压电容并联，用以实现输出电压调节；两部分功率开关管均采用两象限开关管实现交‑交变换功能，减少了功率开关管的使用；前级开关电容变换器采用PWM策略，运行于最高效率和电压增益点；Dual‑Buck变换器由基本的开关模块构成，采用交错并联的开关技术，提高了等效开关频率并且无需判断输出电流方向，克服了输出电流过零畸变问题；并且还继承了开关电容变换器模块化扩展的特点，功率密度高、体积小，能够提升至中压等级以替代传统的配电三相自耦变压器。

Description

一种开关电容式三相自耦变压器
技术领域
本发明属于AC-AC电能变换技术领域，具体涉及一种开关电容式三相自耦变压器。
背景技术
温室气体的过度排放，导致全球气候变暖趋势加剧。电动汽车作为新一代的交通工具，它的推广和使用无疑给能源危机、环境污染、气候变暖等问题提供了一个解决途径。但是随着未来电动汽车的普及，电动汽车大规模接入电网充电，城市配电变压器将面临超载风险。
新增自耦变压器缓解电动汽车接入配电网充电变压器容量问题，可以降低配电网增容投资，是应对未来配电网负荷发展的有效举措。但是加装自耦变压器仍存在使用率低、占地面积大、电能质量差等问题。
开关电容变换器无需磁性元件，具有体积小、功率密度高、易于模块集成与功率拓展等优点被广泛应用于低压/小功率场合。近些年，开关电容变换器向着更高的电压与功率等级发展，并逐步应用于交-交电能变换领域替代传统自耦变压器。目前开关电容变换器电压增益范围小、开环运行导致输出电压调节困难，这限制了开关电容变换器使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关电容式三相自耦变压器，克服了现有的开关电容变换器电压增益范围小的缺陷。
本发明所采用的技术方案是，一种开关电容式三相自耦变压器，包括A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块，还包括A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器，A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块的首端分别连接电网的相应相，A相Dual-Buck变换器输入端连接A相开关电容阶梯模块最后一级，B相开关电容阶梯模块输入端连接B相开关电容阶梯模块最后一级，C相Dual-Buck变换器输入端连接C相开关电容阶梯模块，A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器输出端通过三相负载连接。
本发明的特点还在于：
A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均包括多个功率开关管，编号为S1、S2…Sn，其中n＞＞4，且n为偶数，多个功率开关管依次通过相邻源极连接漏极的方式连接，功率开关管S1漏极连接电网的相应相，功率开关管Si的漏极与功率开关管Si+1的源极之间连接电容Ci，其中i＝1,2…n-1，每个电容Cn-1并联相应相的Dual-Buck变换器，A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块中的功率开关管Sn的源极相互相连。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器均包括源极连接电容Cn-1下极板的功率开关管Sn1，功率开关管Sn1漏极连接二极管Dn1正极、电感L2一端，还包括正极连接电容Cn-1下极板的二极管Dp1，二极管Dp1的负极连接功率开关管Sp1源极、电感L1一端，功率开关管Sp1漏极、二极管Dp1负极均连接电容Cn-1上极板，电感L1另一端、电感L2另一端均连接三相负载。
电感L1与电感L2之间的连接方式为不耦合。
三相负载包括电阻Ra，电阻Ra一端连接电阻Rb一端、电阻Rc一端，电阻Ra另一端连接A相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，电阻Rb另一端连接B相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，电阻Rc另一端连接C相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器中电感L1另一端、电感L2另一端均连接电容Co下极板，电容Co上极板均连接功率开关管Sn的源极。
A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均采用PWM策略调控，编号为奇数的功率开关管同时触发，触发时间为D1Ts1，编号为偶数的功率开关管同时触发，触发时间为D2Ts1，触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1之间死区时间为td。
触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1等长。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器采用基于交错并联的PWM策略调控，运行方式为开环或闭环。
本发明一种开关电容式三相自耦变压器有益效果是：
1)具有体积小、功率密度高等优点，并且能工作于闭环状态，实现输出电压动态调节，提供全负载范围高品质供电，打破了原有基于开关电容的AC-AC变换器难以实现输出电压调节的限制，具有极大的创新性和研究价值。
2)开关电容阶梯型模块、Dual-Buck变换器均采用两象限开关管实现AC-AC变换，减少了功率开关管的使用；开关电容阶梯型模块采用PWM策略，运行于最高效率和电压增益点；Dual-Buck变换器由基本的开关模块构成，不存在换流问题，采用交错并联的开关技术，提高了等效开关频率并且无需判断输出电流方向，因此不存在输出电流过零畸变问题；
3)本发明继承了开关电容变换器易于模块化扩展的特点，能够提升至中压等级以替代传统的配电三相自耦变压器。
附图说明
图1是本发明一种开关电容式三相自耦变压器的结构图；
图2是本发明中级联单元的电路拓扑图；
图3是本发明开关电容变换器部分功率开关管门驱动信号示意图；
图4是本发明Dual-Buck变换器部分开环模式所采用的调制策略示意图；
图5是本发明Dual-Buck变换器部分闭环控制策略示意图；
图6是本发明n＝4时拓扑结构示意图。
图中，vA、vB、vC为三相输入电压，Uab为输出线电压，Sodd为开关电容变换器奇数开关驱动信号，Seven为偶数开关驱动信号，Ts1为开关电容变换器一个开关周期时间，td为死区时间，D为Dual-Buck变换器开关管调制信号，Ca1与Ca2分别为两个互差180°的三角载波。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种开关电容式三相自耦变压器，如图1所示，包括A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块，还包括A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器，A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块的首端分别连接电网的相应相，A相Dual-Buck变换器输入端连接A相开关电容阶梯模块最后一级，B相开关电容阶梯模块输入端连接B相开关电容阶梯模块最后一级，C相Dual-Buck变换器输入端连接C相开关电容阶梯模块，A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器输出端通过三相负载连接。
A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均包括多个功率开关管，编号为S1、S2…Sn，其中n＞＞4，且n为偶数，多个功率开关管依次通过相邻源极连接漏极的方式连接，功率开关管S1漏极连接电网的相应相，功率开关管Si的漏极与功率开关管Si+1的源极之间连接电容Ci，其中i＝1,2…n-1，每个电容Cn-1并联相应相的Dual-Buck变换器，A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块中的功率开关管Sn的源极相互相连。
如图2所示为开关电容阶梯模块级联单元能够实现变换器的模块化扩展。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器均包括源极连接电容Cn-1下极板的功率开关管Sn1，功率开关管Sn1漏极连接二极管Dn1正极、电感L2一端，还包括正极连接电容Cn-1下极板的二极管Dp1，二极管Dp1的负极连接功率开关管Sp1源极、电感L1一端，功率开关管Sp1漏极、二极管Dp1负极均连接电容Cn-1上极板，电感L1另一端、电感L2另一端均连接三相负载。
电感L1与电感L2之间的连接方式为不耦合。
三相负载包括电阻Ra，电阻Ra一端连接电阻Rb一端、电阻Rc一端，电阻Ra另一端连接A相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，电阻Rb另一端连接B相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，电阻Rc另一端连接C相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器中电感L1另一端、电感L2另一端均连接电容Co下极板，电容Co上极板均连接功率开关管Sn的源极，电容Co对三相负载起滤波作用。
A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均采用PWM策略调控，该策略中功率开关管门驱动信号如图3所示，编号为奇数的功率开关管同时触发，触发时间为D1Ts1，编号为偶数的功率开关管同时触发，触发时间为D2Ts1，触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1之间死区时间为td。
触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1等长。
A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器采用基于交错并联的PWM策略调控，运行方式为开环或闭环。
开环运行如图4所示，调制波与三角载波Ca1相比较获得功率开关管Sp1、Sp2、Sp3的驱动信号，与Ca2相比较获得功率开关管Sn1、Sn2、Sn3驱动信号的互补信号。闭环运行如图5所示，对输出线电压Uab实时检测并计算其有效值，与线电压给定值Uab-ref相比较，差值信号通过PI控制器，生成三相Dual-Buck变换器的调制波信号，从而实现输出电压调节。
实施例
采用n＝4的拓扑结构进行分析说明，如图6所示，为了便于区分，将A相开关电容阶梯模块电容分别取C1、C2、C3，B相开关电容阶梯模块电容分别取C4、C5、C6，C相开关电容阶梯模块电容分别取C7、C8、C9，将3个Dual-Buck变换器中用于连接两个桥臂的电感取为L1和L2、L3和L4、L5和L6，L1和L2、L3和L4、L5和L6之间的连接方式为不耦合，即为分裂电感，三相输入电压220V/50Hz，Dual-Buck变换器开环运行，输出负载星形连接，两部分功率开关管开关频率为50kHz。
开关电容变换器与Dual-Buck变换器采用PWM策略，A相、B相、C相开关电容阶梯模块中功率开关管奇数开关同时触发，作用时间为D1Ts1，偶数开关同时触发，作用时间为D2Ts1，加入死区时间td，以避免奇偶次开关同时导通。后级Dual-Buck变换器，调制波D与Ca1相比较获得功率开关管Sp1、Sp2、Sp3的驱动信号，与Ca2相比较获得功率开关管Sn1、Sn2、Sn3驱动信号的互补信号。
开关电容变换器通过开关电容与均压电容交替并联实现均压电容之间的电压均衡。变换器在运行初始时刻开关电容变换器一相功率开关管的反并联二极管全部正向偏置，之后电路进入稳态，这一过程使得各电容电压产生直流分量。因此，在稳态运行中各相模块电容电压均含有交流分量以及直流分量。A相模块电容C1、C2、C3电压交流分量大小为va/2，且与A相电源电压同相，直流分量大小为Vpk/2，Vpk为相电压峰值，B相、C相模块电容电压与A相相似，只是交流分量相位相差-120°与120°。
Figure BDA0003024199280000071
开关电容的输出特性不受负载特性以及负载类型的影响，可以将电容C3、C6、C9等效为电压源，后级Dual-Buck变换器对每一相最后一级开关电容电压进行斩波。各输出滤波电容电压为：
Figure BDA0003024199280000072
三相输出经过差分连接，直流分量相互抵消，各相负载电压为：
Figure BDA0003024199280000081
因此，该变换器理想电压增益可以表示为：
Figure BDA0003024199280000082
该变换器能够通过改变占空比D实现输出电压调节，具有宽电压增益范围。
通过上述方式，本发明一种开关电容式三相自耦变压器，由开关电容变换器与三组Dual-Buck变换器组成。开关电容变换器分别由三组开关电容阶梯模块构成，Dual-Buck变换器与开关电容阶梯型模块最后一级均压电容并联，用以实现输出电压调节；两部分功率开关管均采用两象限开关管实现交-交变换功能，减少了功率开关管的使用；前级开关电容变换器采用PWM策略，运行于最高效率和电压增益点；后级Dual-Buck变换器由基本的开关模块构成，不存在换流问题，采用交错并联的开关技术，提高了等效开关频率并且无需判断输出电流方向，因此不存在输出电流过零畸变问题；此外该变换器继承了开关电容变换器模块化扩展的特点，功率密度高、体积小，能够提升至中压等级以替代传统的配电三相自耦变压器。

Claims (3)

1.一种开关电容式三相自耦变压器，其特征在于，包括A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块，还包括A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器，所述A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块的首端分别连接电网的相应相，所述A相Dual-Buck变换器输入端连接A相开关电容阶梯模块最后一级，所述B相开关电容阶梯模块输入端连接B相开关电容阶梯模块最后一级，所述C相Dual-Buck变换器输入端连接C相开关电容阶梯模块，所述A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器输出端通过三相负载连接；
所述A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均包括多个功率开关管，编号为S1、S2…Sn，其中n＞＞4，且n为偶数，多个所述功率开关管依次通过相邻源极连接漏极的方式连接，所述功率开关管S1漏极连接电网的相应相，所述功率开关管Si的漏极与功率开关管Si+1的源极之间连接电容Ci，其中i＝1,2…n-1，每个所述电容Cn-1并联相应相的Dual-Buck变换器，所述A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块中的功率开关管Sn的源极相互相连；
所述A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器均包括源极连接电容Cn-1下极板的功率开关管Sn1，所述功率开关管Sn1漏极连接二极管Dn1正极、电感L2一端，还包括正极连接电容Cn-1下极板的二极管Dp1，所述二极管Dp1的负极连接功率开关管Sp1源极、电感L1一端，所述功率开关管Sp1漏极、二极管Dp1负极均连接电容Cn-1上极板，所述电感L1另一端、电感L2另一端均连接三相负载；
所述三相负载包括电阻Ra，所述电阻Ra一端连接电阻Rb一端、电阻Rc一端，所述电阻Ra另一端连接A相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，所述电阻Rb另一端连接B相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端，所述电阻Rc另一端连接C相Dual-Buck变换器的电感L1另一端和电感L2另一端；
所述A相开关电容阶梯模块、B相开关电容阶梯模块、C相开关电容阶梯模块均采用PWM策略调控，编号为奇数的功率开关管同时触发，触发时间为D1Ts1，编号为偶数的功率开关管同时触发，触发时间为D2Ts1，所述触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1之间死区时间为td；
所述触发时间D1Ts1与触发时间D2Ts1等长；
所述A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器采用基于交错并联的PWM策略调控，运行方式为开环或闭环。
2.根据权利要求1所述一种开关电容式三相自耦变压器，其特征在于，所述电感L1与电感L2之间的连接方式为不耦合。
3.根据权利要求1所述一种开关电容式三相自耦变压器，其特征在于，所述A相Dual-Buck变换器、B相Dual-Buck变换器、C相Dual-Buck变换器中电感L1另一端、电感L2另一端均连接电容Co下极板，所述电容Co上极板均连接功率开关管Sn的源极。
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