CN219999227U - 一种三电平变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三电平变换器，三电平变换器包括：高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元，第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关串联后与高压侧单元并联，第一开关和第二开关的串联连接点通过飞跨电容连接第三开关和第四开关的串联连接点，第三开关和第四开关串联后与低压侧单元并联；控制单元根据第一驱动信号控制第一开关、第二开关、第三开关及第四开关中各开关导通或者关断。本实用新型能解决开关的过压和损耗问题，并且在三电平变换器的机器温度过高时，通过第一驱动信号将三电平拓扑转为两电平拓扑，减小第二开关和第三开关的损耗，达到降低三电平变换器的机器温度的目的。

Description

一种三电平变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别涉及一种三电平变换器。

背景技术

飞跨电容三电平变换器可实现电压的双向变换，与两电平变换器相比，三电平变换器降低了开关器件的电压应力，其输出电压等级更高，输出电流纹波更为平滑，同时输入输出共地的优势使得此拓扑在大功率光伏发电及储能装置中得到了广泛地应用。但是此变换器在应用时仍然存在两个主要问题。

目前常用的开关器件为Si IGBT，若是采用同类型耐压等级更高的开关器件，虽消除了开关器件的过压击穿的风险。但是同类型耐压等级更高的开关器件存在开关器件损耗增加的问题。

实用新型内容

本实用新型实施方式主要解决的技术问题是提供了一种三电平变换器，解决开关的过压和损耗问题，并且能够在三电平变换器的机器温度过高时，可以通过控制信号将三电平拓扑转为两电平拓扑，减小第二开关和第三开关的损耗，达到降低三电平变换器的机器温度的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型实施方式采用的一个技术方案是：提供一种三电平变换器，所述三电平变换器包括：

高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关串联后与所述高压侧单元并联，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述飞跨电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点，所述第三开关和所述第四开关串联后与所述低压侧单元并联；

所述控制单元根据第一驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关及所述第四开关中各开关导通或者关断。

在一些实施例中，所述第一驱动信号用于：控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并控制所述第二开关或所述第三开关常闭。

在一些实施例中，所述第一开关包括第一开关管和第一寄生二极管，所述控制单元还用于根据第二驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述第一寄生二极管导通时所述第一开关管导通。

在一些实施例中，所述第二驱动信号用于：控制所述第二开关常闭，控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制所述第三开关导通后所述第一开关导通，在每一驱动周期内控制所述第一开关关断后所述第三开关关断。

在一些实施例中，所述第四开关包括第四开关管和第四寄生二极管，所述控制单元还用于根据第三驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述第四寄生二极管导通时所述第四开关管导通。

在一些实施例中，所述第三驱动信号用于：控制所述第三开关常闭，控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制所述第二开关先于所述第四开关导通，在每一驱动周期内控制所述第四开关先于所述第三开关关断。

在一些实施例中，所述第一开关和所述第四开关为SiC IGBT、SiC Mosfet、宽禁带半导体制成的开关器件中的一种。

在一些实施例中，所述第一开关和所述第四开关均包括一个开关管，或多个开关管并联。

区别于相关技术的情况，本实用新型实施例提供了一种三电平变换器，所述三电平变换器包括：高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关串联后与所述高压侧单元并联，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述飞跨电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点，所述第三开关和所述第四开关串联后与所述低压侧单元并联；所述控制单元根据第一驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关及所述第四开关中各开关导通或者关断。本实用新型实施方式主要解决的技术问题是提供了一种三电平变换器，解决开关的过压和损耗问题，并且能够在三电平变换器的机器温度过高时，可以通过控制信号将三电平拓扑转为两电平拓扑，减小第二开关和第三开关的损耗，达到降低三电平变换器的机器温度的目的。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是现有技术的飞跨电容三电平电路的电路结构示意图；

图2是图1的飞跨电容三电平电路的一电流流向示意图；

图3是图1的飞跨电容三电平电路的另一电流流向示意图；

图4是本实用新型实施例提供的三电平变换器的结构框图；

图5是本实用新型实施例提供的三电平变换器的电路结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的第一驱动信号PWM1的波形示意图；

图7至图10是本实用新型实施例提供的三电平变换器在boost模式下的四个通断状态的电流流向示意图；

图11至图14是本实用新型实施例提供的三电平变换器在buck模式下的四个通断状态的电流流向示意图；

图15是本实用新型实施例提供的第二驱动信号PWM2的波形示意图；

图16是本实用新型实施例提供的第三驱动信号PWM3的波形示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。

请参阅图1，图1是现有技术的飞跨电容三电平电路的电路结构示意图。

如图1所示，现有技术中的飞跨电容三电平电路包括：低压侧电源Vin、低压侧电容Cin、低压侧电感L、开关器件S1、开关器件S2、开关器件S3、开关器件S4、飞跨电容Cf、高压侧电容C1、高压侧电容C2和高压侧电源Vbus。该高压侧电源Vbus通常为直流母线电压。

低压侧电源Vin和低压侧电容Cin并联，低压侧电源Vin与低压侧电感L、开关器件S3、开关器件S4串联成回路。开关器件S1和开关器件S2串联，开关器件S1的第一端与高压侧电源Vbus的正极，开关器件S1的第二端和开关器件S2的第一端相连，开关器件S2的第二端与低压侧电感L和开关器件S3第一端的交点相连。飞跨电容Cf并联在开关器件S2的第一端和开关器件S3的第二端。高压侧电容C1和压侧电容C2通常为母线电容，二者串联，与高压侧电源Vbus形成回路。

当未给飞跨电容Cf预充电或飞跨电容Cf两端的电压过低时，若在飞跨电容三电平电路两侧突加电压，会使得开关器件S1和开关器件S4过压，存在开关器件S1和开关器件S4过压击穿的风险。

如图2所示，若是直流母线电压建立起来后，此时飞跨电容Cf没有电压或者电压过低，那么直流母线电压将会在通过飞跨电容Cf、开管器件S3的反并二极管、低压侧电感L、低压侧电容Cin后几乎全部加在开关器件S1的两端。此时，若开关器件S1的耐压能力不够高，开关器件S1将会因为过压而被击穿。

如图3所示，当低压侧突然接入电压时，飞跨电容Cf没有电压或者电压过低，则低压侧电源Vin的电压将会在通过低压侧电感L、开关器件S2的反并二极管、飞跨电容Cf后几乎全部加在开关器件S4的两端。此时，若开关器件S4的耐压能力不够高，开关器件S4将会因为过压而被击穿。

因而，在飞跨电容Cf没有电压或其电势较低时，对开关器件S1和S4的耐压要求很高。

现有技术中，通常是通过低压侧或高压侧给飞跨电容充电解决开关器件S1和开关器件S4过压的问题，或者通过钳位电路实现开关器件S1和开关器件S4的过压保护，但是这两种方案需要添加额外的电路，且具体实现较为复杂。

同时，目前常用的开关器件为Si IGBT(硅基绝缘栅双极晶体管)，若是采用同类型耐压等级更高的开关器件，虽消除了开关器件的过压击穿的风险。但是同类型耐压等级更高的开关器件存在开关器件损耗增加的问题。因为Si材料的开关器件耐压值越高，其导通电阻越大，增加了器件的导通损耗和开关损耗，一定程度上降低了变换器的转换效率，使此拓扑应用受限。

请参阅图4，图4是本实用新型实施例提供的三电平变换器的结构框图。

本实用新型实施例提供的三电平变换器100包括：高压侧单元10、低压侧单元20、飞跨电容Cf、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及控制单元30。其中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4串联后与高压侧单元10并联，第一开关S1和第二开关S2的串联连接点通过飞跨电容Cf连接第三开关S3和第四开关S4的串联连接点，第三开关S3和S4第四开关串联后与低压侧单元20并联。

该高压侧单元10可包括但不限于电容、电感以及开关。这里的高压侧单元10的电压大于低压侧单元20的电压，其中高压侧单元10可包括但不限于电容，低压侧单元20可包括但不限于电容、电感以及电池，例如，低压侧单元20可包括串联的电感和电容，或者低压侧单元20包括电容、电感以及电池，其中电感和电容串联、且电容与电池并联，具体可根据实际应用场景确定，在此不作限制。

在一些实施例中，第一开关S1和第四开关S4为SiC IGBT(碳化硅制成的绝缘栅双极晶体管)、SiC Mosfet(碳化硅制成的绝缘栅双极晶体管)、宽禁带半导体制成的开关器件中的一种。

以SiC Mosfet为例，由于SiC Mosfet是一种宽带隙半导体，其绝缘击穿场强高，使得SiC Mosfet具备更高的耐压等级，导通阻抗更小，解决了开关器件过压击穿的风险。另外SiC Mosfet开关器件可以以更高的频率工作，具备更低的开关损耗和优越的散热性能，可提高变换器的转换效率。因而性能更优的开关器件不仅解决了第一开关S1和第四开关S4的过压问题，还能使其损耗降低。

具体的，当三电平变换器100的机器温度超过预设温度时，控制单元30根据第一驱动信号控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4中各开关导通或者关断，以使第二开关S2或第三开关S3常闭，从而将三电平拓扑转为两电平拓扑，减小第二开关S2和第三开关S3的损耗，达到降低三电平变换器的机器温度的目的。。

其中，预设温度可设置为30摄氏度、40设置度或其它温度。控制单元30可从外部的其它器件中获取三电平变换器100的机器温度，也可是控制单元30中包括测温单元，通过该测温单元来测量该三电平变换器100的机器温度。

该三电平变换器100的输出电压由三电平变为两电平，具体的调制波形可见图6。该技术方案将原先的三电平拓扑变为两电平，在工作过程中因为第二开关S2或第三开关S3管常导通，大大减少了其反并二极管的反向恢复损耗，从而达到降低损耗的目的。

在一些实施例中，可将第二开关S2和第三开关S3选用相同的开关器件。在现有技术中，第一开关S1和第四开关S4为解决损耗问题可能会使用两个及以上开关器件并联，而本实用新型实施例可使用一个开关器件组成的第一开关S1和一个开关器件组成的第四开关S4便可解决第一开关S1和第四开关S4的过压风险和损耗问题，且无需添加其余的元件或电路，实施方式简单，控制简便，还能有效的提高三电平变换器100的转换效率。

在一些实施例中，第一开关S1和第四开关S4均包括一个开关管，或多个开关管并联。

在一些实施例中，第二开关S2和第三开关S3为具有反并二极管的开关，也为SiCIGBT、SiC Mosfet、宽禁带半导体制成的开关器件中的一种。第二开关S2和第三开关S3均包括一个开关管，或多个开关管并联。

请参阅图5，图5是本实用新型实施例提供的三电平变换器100的电路结构示意图。

如图5所示，上述图4的高压侧单元10包括高压侧电容C1、高压侧电容C2和高压侧电源Vbus，低压侧单元20包括低压侧电源Vin、低压侧电容Cin、低压侧电感L。该高压侧电源Vbus通常为直流母线电压。

低压侧电源Vin和低压侧电容Cin并联，低压侧电源Vin与低压侧电感L、第三开关S3、第四开关S4串联成回路。第一开关S1和第二开关S2串联，第一开关S1的第一端与高压侧电源Vbus的正极，第一开关S1的第二端和第二开关S2的第一端相连，第二开关S2的第二端与低压侧电感L和第三开关S3第一端的交点相连。飞跨电容Cf并联在第二开关S2的第一端和第三开关S3的第二端。高压侧电容C1和压侧电容C2通常为母线电容，二者串联，与高压侧电源Vbus形成回路。

低压侧电容Cin和低压侧电感L可组成滤波回路。

第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4均包括控制端，控制单元30与第一开关S1的控制端、第二开关S2的控制端、第三开关S3的控制端及第四开关S4的控制端均连接。控制单元30通过分别向第一开关S1的控制端、第二开关S2的控制端、第三开关S3的控制端、第四开关S4的控制端输出PWM(脉冲宽度调制)信号来控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4的通断。

请参阅图6，图6是本实用新型实施例提供的第一驱动信号PWM1的波形示意图。

在一些实施例中，第一驱动信号PWM1用于：控制第一开关S1和第四开关S4的驱动信号的相位相差180度，并控制第二开关S2和第三开关S3常闭。当控制单元30根据第一驱动信号PWM1控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4时，第二开关S2或第三开关S3常闭，该三电平变换器的输出电压由三电平变为两电平，大大减少了第二开关S2的寄生二极管和第三开关S3的寄生二极管的反向恢复损耗，从而达到降低损耗的目的。

图7至图10是本实用新型实施例提供的三电平变换器在boost模式下的四个通断状态的电流流向示意图。图7是本实用新型实施例的三电平变换器100在boost模式下的第一通断状态的电流流向示意图。图8是本实用新型实施例的三电平变换器100在boost模式下的第二通断状态的电流流向示意图。图9是本实用新型实施例的三电平变换器100在boost模式下的第三通断状态的电流流向示意图。图10是本实用新型实施例的三电平变换器100在boost模式下的第四通断状态的电流流向示意图。

其中，对图9而言，在现有技术中，电流会依次经过低压侧电感L、第三开关S3、飞跨电容Cf、第一开关S1的寄生二极管。

对图10而言，在现有技术中，电流会依次经过低压侧电感L、第二开关S2的寄生二极管、第一开关S1的寄生二极管。

因为在图9和图10的情况下，现有技术的方案中，电流都会经过第一开关S1的寄生二极管，而第一开关S1的寄生二极管的性能较差，会产生较大的损耗，从而降低该三电平变换器效率。

图11至图14是本实用新型实施例提供的三电平变换器在buck模式下的四个通断状态的电流流向示意图。图11是本实用新型实施例的三电平变换器100在buck模式下的第一通断状态的电流流向示意图。图12是本实用新型实施例的三电平变换器100在buck模式下的第二通断状态的电流流向示意图。图13是本实用新型实施例的三电平变换器100在buck模式下的第三通断状态的电流流向示意图。图14是本实用新型实施例的三电平变换器100在buck模式下的第四通断状态的电流流向示意图。

其中，对图13而言，在现有技术中，电流会依次经过第四开关S4的寄生二极管、飞跨电容Cf、第二开关S2及低压侧电感L。

对图14而言，在现有技术中，电流会依次经过第四开关S4的寄生二极管、第三开关S3的寄生二极管及低压侧电感L。

因为在图13和图14的情况下，现有技术的方案中，电流都会经过第四开关S4的寄生二极管，而第四开关S4的寄生二极管的性能较差，会产生较大的损耗，从而降低该三电平变换器效率。

鉴于上述boost模式下的图9和图10现有技术存在的问题，本实用新型实施例通过控制单元30根据第二驱动型号PWM2控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4中各开关的导通或关断。

在一些实施例中，第一开关S1包括第一开关管和第一寄生二极管，控制单元还用于根据第二驱动信号PWM2控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4中各开关导通或者关断，以使第一寄生二极管导通时第一开关管导通。

具体的，第二驱动信号用于：控制第二开关S2常闭，控制第一开关S1和第四开关S4的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制第三开关S3导通后第一开关导通，在每一驱动周期内控制第一开关S1关断后第三开关S3关断。

请参阅图15，图15是本实用新型实施例提供的第二驱动信号PWM2的波形示意图。

具体的，请一并参阅图9和图15，当三电平变换器100在boost模式下的第三通断状态时，当第三开关S3已经导通，低压侧电感L的电流会经过第三开关S3和飞跨电容Cf后从第一开关S1的第一寄生二极管流向高压侧单元。此时第一开关S1的寄生二极管已导通的情况下，第一开关S1两端的电压为该第一寄生二极管的压降，当第一开关S1两端的电压开始减小时导通第一开关S1。在需要切换通断状态时，先关闭第一开关S1再关断第三开关S3，如此便可实现第一开关S1的软开关。

从而使得当电流需要流经第一开关S1的第一寄生二极管时，导通第一开关S1，使其电流从第一开关管流过而不是第一寄生二极管，从而能减小第一开关S1的功率损耗。

当三电平变换器100在boost模式下的第四通断状态时同理，当电流需要流经第一开关S1的第一寄生二极管时，导通第一开关S1，使其电流从第一开关管流过而不是第一寄生二极管，从而能减小第一开关S1的功率损耗。

鉴于上述buck模式下的图3和图14的现有技术存在的问题，本实用新型实施例通过控制单元30根据第三驱动信号PWM3控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4中各开关的导通或关断。

在一些实施例中，第四开关S4包括第四开关管和第四寄生二极管，控制单元还用于根据第三驱动信号控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4中各开关导通或者关断，以使第四寄生二极管导通时第四开关管导通。

具体的，第三驱动信号用于：控制第三开关S3常闭，控制第一开关S1和第四开关S4的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制第二开关S2先于第四开关S4导通，在每一驱动周期内控制所述第四开关S4先于第三开关S3关断。

请参阅图16，图16是本实用新型实施例提供的第三驱动信号PWM3的波形示意图。

具体的，请一并参阅图13和图16，当三电平变换器100在buck模式下的第三通断状态时，当第二开关S2已经导通，低压侧电感L的电流会经过第四开关S4的第四寄生二极管和飞跨电容Cf后从第二开关S2流回。此时第四开关S4的第四寄生二极管已导通的情况下，导通第四开关S4。在需要切换通断状态时，先关闭第四开关S4再关断第三开关S3，如此便可实现第四开关S4的软开关。

从而使得当电流需要流经第四开关S4的第四寄生二极管时，导通第四开关S4，使其电流从第四开关管流过而不是第四寄生二极管，从而能减小第四开关S4的功率损耗。

当三电平变换器100在buck模式下的第四通断状态时同理，当电流需要流经第四开关S4的第四寄生二极管时，导通第四开关S4，使其电流从第四开关管流过而不是第四寄生二极管，从而能减小第四开关S4的功率损耗。

本实用新型实施例提供了一种三电平变换器100，三电平变换器100包括：高压侧单元10、低压侧单元20、飞跨电容Cf、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4以及控制单元30，其中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4串联后与高压侧单元10并联，第一开关S1和第二开关S2的串联连接点通过飞跨电容Cf连接第三开关S3和第四开关S4的串联连接点，第三开关S3和第四开关S4串联后与低压侧单元20并联。控制单元30根据第一驱动信号控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3及第四开关S4中各开关导通或者关断。本实用新型实施例能够在三电平变换器的机器温度过高时，通过第一驱动信号将三电平拓扑转为两电平拓扑，减小第二开关和第三开关的损耗，达到降低三电平变换器的机器温度的目的。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种三电平变换器，其特征在于，所述三电平变换器包括：

高压侧单元、低压侧单元、飞跨电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关以及控制单元，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关以及所述第四开关串联后与所述高压侧单元并联，所述第一开关和所述第二开关的串联连接点通过所述飞跨电容连接所述第三开关和所述第四开关的串联连接点，所述第三开关和所述第四开关串联后与所述低压侧单元并联；

所述控制单元根据第一驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关及所述第四开关中各开关导通或者关断。

2.根据权利要求1所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一驱动信号用于：控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并控制所述第二开关或所述第三开关常闭。

3.根据权利要求2所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一开关包括第一开关管和第一寄生二极管，所述控制单元还用于根据第二驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述第一寄生二极管导通时所述第一开关管导通。

4.根据权利要求3所述的三电平变换器，其特征在于，所述第二驱动信号用于：控制所述第二开关常闭，控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制所述第三开关导通后所述第一开关导通，在每一驱动周期内控制所述第一开关关断后所述第三开关关断。

5.根据权利要求1所述的三电平变换器，其特征在于，所述第四开关包括第四开关管和第四寄生二极管，所述控制单元还用于根据第三驱动信号控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关中各开关导通或者关断，以使所述第四寄生二极管导通时所述第四开关管导通。

6.根据权利要求5所述的三电平变换器，其特征在于，所述第三驱动信号用于：控制所述第三开关常闭，控制所述第一开关和所述第四开关的驱动信号的相位相差180度，并且在每一驱动周期内控制所述第二开关先于所述第四开关导通，在每一驱动周期内控制所述第四开关先于所述第三开关关断。

7.根据权利要求1-6任一项所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一开关和所述第四开关为SiC IGBT、SiC Mosfet、宽禁带半导体制成的开关器件中的一种。

8.根据权利要求7所述的三电平变换器，其特征在于，所述第一开关和所述第四开关均包括一个开关管，或多个开关管并联。