CN115296557A - 一种有源中点钳位三电平变换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种有源中点钳位三电平变换器及控制方法，包括至少一个桥臂和控制器，每个桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在第二开关管和第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；控制器在调制信号的正半周，控制第一开关管和第五开关管互补导通，第二开关管导通；在调制信号的负半周，控制第四开关管和第六开关管互补导通，第三开关管导通；除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管互补导通，在预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管均导通。该方案能够保证各个开关管损耗均衡的同时可以降低功率管被过压击穿的风险。

Description

一种有源中点钳位三电平变换器及控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种有源中点钳位三电平变换器及控制方法。
背景技术
参见图1，该图为现有技术中的一种三电平变换器的示意图。
目前在中压大功率变流器应用场合中，基本都采用三电平拓扑结构，具有电压等级高，波形平滑等优势。
图1中包括三个桥臂，分别对应三相，每个桥臂包括串联的四个开关管，分别为T1-T4，其中中间两个开关管被二极管钳位。
但是，图1的拓扑存在两个缺点，一方面是在整流时电流的换流回路为长换流回路，当电路的杂散电感比较大时，中管(T2和T3)很容易过压被击穿；另一方面是各开关管的热损耗不均衡，导致散热器的设计困难，设备功率不能充分发挥。
针对图1所示拓扑的缺点，目前应用有源中点钳位(Active Neutral-Point-Clamped，ANPC)三电平变换器，如图2所示。参见图2，该图为现有技术中的一种ANPC三电平变换器的示意图。
对比图1和图2，图2中每个桥臂的钳位管为开关管，而不是二极管。由于开关管可以控制开关状态，因此，可以控制0电平电流流过不同的路径，自由度更多。
已有的调制策略多采用短换流回路调制方案，即T1、T4、T5和T6高频调制，T2和T3低频调制，保证换流回路尽可能的工作在短换流回路工况，同时各管子的功耗相对接近。这种调制方案在正负半周正常调制的情况下都是工作在短换流回路，但是在过零过程中，T2和T3可能出现长换流回路，导致开关管过压被击穿。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本申请提供一种有源中点钳位三电平变换器及控制方法，能够保证损耗均衡的同时可以降低功率管被过压击穿的风险。
本申请提供一种有源中点钳位三电平变换器，包括至少一个桥臂和控制器，每个桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在第二开关管和第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；
控制器，用于在调制信号的正半周，控制第一开关管和第五开关管互补导通，第二开关管导通；在调制信号的负半周，控制第四开关管和第六开关管互补导通，第三开关管导通；除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管互补导通，在预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管均导通，第二开关管的开关频率小于第一开关管的开关频率。
优选地，控制器，还用于在第二开关管的驱动信号的上升沿，强制第四开关管关断。
优选地，控制器，还用于在第三开关管的驱动信号的下降沿，控制第六开关管的状态与第一开关管的状态一致，强制第四开关管关断。
优选地，控制器，还用于在第三开关管的驱动信号的上升沿，强制第一开关管关断。
优选地，控制器，还用于在第二开关管的驱动信号的下降沿，控制第五开关管的状态与第四开关管的状态一致，强制第一开关管关断。
本申请还提供一种有源中点钳位三电平变换器的控制方法，变换器包括至少一个桥臂和控制器，每个桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在第二开关管和第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；
该方法包括：
在调制信号的正半周，控制第一开关管和第五开关管互补导通，第二开关管导通；
在调制信号的负半周，控制第四开关管和第六开关管互补导通，第三开关管导通；
除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管互补导通，在预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管均导通，第二开关管的开关频率小于第一开关管的开关频率。
优选地，还包括：在第二开关管的驱动信号的上升沿，强制第四开关管关断。
优选地，还包括：在第三开关管的驱动信号的下降沿，控制第六开关管的状态与第一开关管的状态一致，强制第四开关管关断。
优选地，还包括：在第三开关管的驱动信号的上升沿，强制第一开关管关断。
优选地，还包括：在第二开关管的驱动信号的下降沿，控制第五开关管的状态与第四开关管的状态一致，强制第一开关管关断。
由此可见，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的ANPC，除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管互补导通，在所述预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管均导通，所述第二开关管的开关频率小于所述第一开关管的开关频率。为了在过零切换的长换流回路中保证开关管不被高压击穿，本申请特意设置反死区时间段时，例如由第五开关管和第二开关管形成的电流路径向第六开关管和第三开关管形成的电流路径切换，由于第二开关管和第三开关管同时导通，第五开关管和第六开关管也导通，由于开关管导通，则零电平的输入端和输出端之间由导通的开关管短接在一起，因此第二开关管和第五开关管两端的电压近似为0，电流通路切换时，产生的电压波动是在0的基础上形成的一个电压尖峰，不会在很大电压的基础上形成很高的电压尖峰。从而开关管不会承受很大的电压应力，不会被击穿，而且该方案可以保证各个开关管的损耗均衡。
附图说明
图1为现有技术中的一种三电平变换器的示意图；
图2为现有技术中的一种ANPC三电平变换器的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种有源中点钳位三电平变换器的示意图；
图4为本申请实施例提供的正半周电流路径示意图；
图5为本申请实施例提供的负半周电流路径示意图；
图6为本申请实施例提供的一种电流路径切换示意图；
图7为本申请实施例提供的一种驱动信号的时序图；
图8为本申请实施例提供的另一种电流路径切换示意图；
图9为本申请实施例提供的一种有源中点钳位三电平变换器的控制方法的流程图。
具体实施方式
本申请实施例提供的有源中点钳位ANPC三电平变换器，可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态，即可以作为双向变换器工作。不具体限定ANPC三电平变换器的具体应用场景，例如可以应用于光伏系统，储能系统等，也可以应用于新能源汽车等场景。本实施例中以ANPC的交流输出端包括三相为例进行介绍，每相对应一个桥臂。为了方便介绍，下面以其中一相为例进行介绍。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种有源中点钳位三电平变换器的示意图。
本实施例提供的有源中点钳位三电平变换器，包括至少一个桥臂和控制器，每个桥臂包括依次串联的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第四开关管T4，还包括两个连接在第二开关管T2和第三开关管T3两端的钳位开关管：第五开关管T5和第六开关管T6；
控制器100，用于在调制信号的正半周，控制第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，第二开关管T2导通；在调制信号的负半周，控制第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，第三开关管T3导通；除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制第二开关管T2和第三开关管T3互补导通，在预设时间段内，控制第二开关管T2和第三开关管T3均导通，第二开关管T2的开关频率小于第一开关管T1的开关频率。
下面结合附图详细介绍正半周和负半周的电流路径。
参见图4，该图为本申请实施例提供的正半周电流路径示意图。
调制信号的正半周，第一开关管T1和第五开关管T5以高频互补的驱动信号进行驱动，第二开关管T2保持导通状态，无论电流方向是正向，还是反向，电流的流通路径都可以控制在如图4所示换流回路中。
第一开关管T1和第五开关管T5由于高频调制，其损耗主要为导通损耗和开关损耗，根据其对应驱动电路的设计不同，开关损耗略有差异。
第二开关管T2为低频驱动信号，即第二开关管T2的驱动信号的频率小于第一开关管T1的驱动信号的频率。
在正半周几乎全部是导通损耗。由于第二开关管T2为持续导通，所以其导通损耗大于高频管的导通损耗，但是其开关损耗远小于高频管。综合来看，开关管的总损耗接近相等，使热损耗更均匀。同时电流的切换回路在第一开关管T1和第五开关管T5所在的功率模块内部，为短换流回路。
参见图5，该图为本申请实施例提供的负半周电流路径示意图。
同理，在调制信号的负半周，第四开关管T4和第六开关管T6以高频互补的驱动信号进行驱动，第三开关管T3保持导通状态，无论电流方向是正向还是反向，电流的流通路径都可以控制在如图5所示换流回路中。同样可以做到热损耗均匀分布和短换流回路调制。
在调制信号过零时，需要保证换流回路为零电平内部换流，即换流路径如图6所示。由于零电平时，第二开关管T2、第三开关管T3、第五开关管T5和第六开关管T6四个管子上的稳态电压都是0，所以即使存在长换流回路，其产生的电压冲击也不足以击穿开关管。
为了实现本申请的调制效果，下面结合图7详细介绍各个开关管的具体控制时序。
参见图7，该图为本申请实施例提供的一种驱动信号的时序图。
本调制策略分两步实现，首先生成调整前的驱动信号。
其中第一开关管T1和第五开关管T5对应的驱动信号为一对带死区互补的驱动信号，在调制信号的正半周对其进行正常的高频调制。
第四开关管T4和第六开关管T6对应的驱动信号为一对带死区互补的驱动信号，在调制信号的负半周对其进行正常的高频调制。
而第二开关管T2和第三开关管T3为低频互补调制管，正半周第二开关管T2导通，负半周第二开关管T2关断，第三开关管T3互补输出，同时T2和T3采用反死区的驱动信号，并且反死区的驱动信号在载波信号加载之前一定时间进行输出。正死区的驱动信号是指两个管子之间存在一定的死区，在死区时间段内，两个开关管均关断。与正死区相反，反死区是指两个开关管在的反死区时间段内均导通。本申请中的反死区存在于过零点之前，即载波信号的波峰或波谷出现之前存在反死区。
继续结合图6介绍，本申请实施例中的反死区时间段时，电流路径切换的过程，例如过零切换时，由T5和T2向T6和T3切换，由于T2和T3同时导通，T5和T6也导通，由于开关管导通，则O点和A点之间由导通的开关管短接在一起，因此T2和T5两端的电压近似为0，电流通路切换时，产生的电压波动是在0的基础上形成的一个电压尖峰，不会在很大电压的基础上形成很高的电压尖峰。从而开关管不会承受很大的电压应力，不会被击穿。以上便是本申请在控制T2和T3在过零之前存在反死区的目的和效果分析。
如果T2和T3不同时导通，则在电流路径切换时，将O点和A点之间的电压会在比较大的基础电压上叠加电压波动，例如在半母线电压的基础电压上叠加电压波动，形成比较大的电压尖峰，会影响开关管的安全，严重时造成开关管被击穿。
如果直接采用调整前的输出信号，不能保证所有电流都通过短换流回路进行换流，例如图8所示，工作在逆变模式的正半周调制时，部分零电平电流会从T6管流通，从而形成长换流回路。
由于本申请为了保护开关管不被换流时产生的电压尖峰击穿，需要控制T2和T3同时导通一段时间，为了保证这期间是零电平换流，需要进行如下的控制措施，下面具体进行介绍。
本申请实施例提供的调制方式可以采用逻辑芯片进行简单的信号选择实现，简单易行，逻辑清晰。具体的调整方案如下：
1、T2和T3信号为直通，不进行调整。
2、控制器，还用于在第二开关管T2的驱动信号的上升沿，强制第四开关管关断。即检测到T2的上升沿，将T4的输出信号强制为0，其他信号不调整。
3、控制器，还用于在第三开关管的驱动信号的下降沿，控制第六开关管的状态与第一开关管的状态一致，强制第四开关管关断。即如果检测到T3的下降沿，让T6跟随T1的信号进行调制，T4的输出信号强制为0，其他信号不调整；
4、控制器，还用于在第三开关管的驱动信号的上升沿，强制第一开关管关断。即如果检测到T3的上升沿，将T1的输出信号强制为0，其他信号不调整。
5、控制器，还用于在第二开关管的驱动信号的下降沿，控制第五开关管的状态与第四开关管的状态一致，强制第一开关管关断。即如果检测到T2的下降沿，让T5跟随T4的信号进行调制，T1的输出信号强制为0，其他信号不调整。
表1调制信号调整策略
Figure BDA0003822929210000071
Figure BDA0003822929210000081
经过调整后的调制信号如图7所示，在T1高频调制时，T6跟随T1进行高频调制，一方面在T6断开时，避免了形成长换流回路，另一方面在T6导通时，保证T3和T4各自承受一半的母线电压，避免出现中管(T3或T2)电压异常升高的情况。
本申请实施例提供的技术方案，可以保证正半周和负半周内均在对应半周的开关管内进行短换流，即短环流回路，从而降低开关管的电压应力，同时使热损耗更加均匀；在过零点控制T2和T3形成反死区，保证长换流切换时稳态电压为零，即基础电压为零，叠加波动电压后的电压尖峰较小，从而避免开关管发生过压被击穿的风险；另外，还保证了两个开关管承受母线电压时电压的均分，即各自承受一般的母线电压。
基于以上实施例提供的一种有源中点钳位三电平变换器，本申请实施例还提供一种有源中点钳位三电平变换器的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。
参见图9，该图为本申请实施例提供的一种有源中点钳位三电平变换器的控制方法的流程图。
本实施例提供的有源中点钳位三电平变换器的控制方法，变换器包括至少一个桥臂和控制器，每个桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在第二开关管和第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；
该方法包括：
S901：在调制信号的正半周，控制第一开关管和第五开关管互补导通，第二开关管导通；
S902：在调制信号的负半周，控制第四开关管和第六开关管互补导通，第三开关管导通；
S903：除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管互补导通，在预设时间段内，控制第二开关管和第三开关管均导通，第二开关管的开关频率小于第一开关管的开关频率。
另外，为了保证反死区换流过程为零电平换流，本申请实施例提供的控制方法，还包括：在第二开关管的驱动信号的上升沿，强制第四开关管关断。
在第三开关管的驱动信号的下降沿，控制第六开关管的状态与第一开关管的状态一致，强制第四开关管关断。
在第三开关管的驱动信号的上升沿，强制第一开关管关断。
还包括：在第二开关管的驱动信号的下降沿，控制第五开关管的状态与第四开关管的状态一致，强制第一开关管关断。
本发明根据ANPC在大功率变流器的应用场景，基于反死区的调制方案，可以节省控制器的处理资源，简单易行。
本申请实施例不具体限定驱动信号的生成方式，例如SPWM生成调整前信号，也可以用SVPWM生成调整前信号。
本申请不具体限定采样不对称规则采样生成调整前信号，还是采用对称规则采样生成调整前信号。
另外，图7中是以在波峰过零点时给出了反死区控制为例，另外在波谷处过零点也可以实现反死区控制。
本申请图7中的载波为同相层叠，另外，载波也可以采用反相层叠等载波形式。
需要说明的是，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。对于实施例公开的系统或装置而言，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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (10)

1.一种有源中点钳位三电平变换器，其特征在于，包括至少一个桥臂和控制器，每个所述桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在所述第二开关管和所述第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；
所述控制器，用于在调制信号的正半周，控制所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，所述第二开关管导通；在所述调制信号的负半周，控制所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，所述第三开关管导通；除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管互补导通，在所述预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管均导通，所述第二开关管的开关频率小于所述第一开关管的开关频率。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制器，还用于在所述第二开关管的驱动信号的上升沿，强制所述第四开关管关断。
3.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制器，还用于在所述第三开关管的驱动信号的下降沿，控制所述第六开关管的状态与所述第一开关管的状态一致，强制所述第四开关管关断。
4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制器，还用于在所述第三开关管的驱动信号的上升沿，强制所述第一开关管关断。
5.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述控制器，还用于在所述第二开关管的驱动信号的下降沿，控制所述第五开关管的状态与所述第四开关管的状态一致，强制所述第一开关管关断。
6.一种有源中点钳位三电平变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器包括至少一个桥臂和控制器，每个所述桥臂包括依次串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，还包括两个连接在所述第二开关管和所述第三开关管两端的钳位开关管：第五开关管和第六开关管；
该方法包括：
在调制信号的正半周，控制所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，所述第二开关管导通；
在所述调制信号的负半周，控制所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，所述第三开关管导通；
除在调制信号过零点时刻载波信号的波峰或波谷之前预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管互补导通，在所述预设时间段内，控制所述第二开关管和所述第三开关管均导通，所述第二开关管的开关频率小于所述第一开关管的开关频率。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第二开关管的驱动信号的上升沿，强制所述第四开关管关断。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第三开关管的驱动信号的下降沿，控制所述第六开关管的状态与所述第一开关管的状态一致，强制所述第四开关管关断。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第三开关管的驱动信号的上升沿，强制所述第一开关管关断。
10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：在所述第二开关管的驱动信号的下降沿，控制所述第五开关管的状态与所述第四开关管的状态一致，强制所述第一开关管关断。
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