专利名称：三电平半桥电压平衡变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种三电平半桥电压平衡变换器，属电能变换装置中的直流非隔 离变换技术。
背景技术：
目前，随着环境问题的日益突出和电力电子等技术的迅速发展，基于直流电网(DC Grid)的可再生能源(如太阳能、风能等可再生能源)分布式发电系统得到了越来越多的 关注，随着技术的发展必将得到广泛的应用。在直流电网中，通常采用两根直流输电线传送 电能，由于只存在一个直流电压，通常无法同时满足各种功率变换器对输入电压的要求。例 如，半桥或三电平半桥拓扑结构由于结构简单、功率器件少等优点，而被广泛地采用。但是 它们存在输入端直流分压电容不均压问题，这将导致出电压和电流波形畸变或无法很好地 实现功率器件三电平状态，影响功率器件安全工作。同时，输出电压相同的半桥逆变器的输 入电压约为全桥逆变器输入电压的两倍，需要两种规格的输入电压。为了解决半桥或三电平半桥拓扑结构功率变换器中输入端直流分压电容均压问 题，可以采用额外的输入均压控制方案。但是，随着均压控制环路的加入，控制系统将变得 复杂，在一定程度上会影响到最终控制目标的性能，例如输出动态响应速度等性能。同时， 不同的负载特性引起输入端不均压的情况也是不同的，所以输入均压控制方案会很繁多， 而且不具有通用性。对于输出电压相同的半桥逆变器和全桥逆变器，由于需要两种输入电 压规格，两线直流输电方式显然无法同时满足。因此，为了满足各种功率变换器能够直接并 入直流电网和减轻功率变换器对输入电压的控制，在直流电网中的用户端利用独立的功率 变换器构造一根输出电压平衡的中线，变成三线直流输送方式。当采用带中线的三线直流 输电进入家庭，即可以满足低输入电压家用电器要求(例如LED家用照明等)，有可以满足 较高输入电压家用电器要求(冰箱、空调等)。这样不但提高了直流电网应用灵活性，而且 扩大了其应用范围。因此，本发明三电平半桥电压平衡变换器电路能够将两线直流输电方式转变成三 根直流输电线方式，在输出端构造一个中线，形成一个稳定的、电压等于输入电压一半的中 点电压，以满足不同功率变换器或用电设备对输入电压的要求。同时，三电平半桥电压平衡 变换器电路将有利于降低电功率器件的电压应力，提高了功率器件的安全性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对采用两根直流线输送直流电能无法同时满足 不同变换器或用电设备对输入电压的要求，提供一种结构简单合理、可将两根直流输电线 输入方式转变成三根直流输电线输出方式的三电平半桥电压平衡变换器。本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的—种三电平半桥电压平衡变换器，包括一个输入电压源、一个三电平半桥电路、一 个中间直流环节电路；三电平半桥电路包括第一功率开关管、第一续流二极管、第二功率开关管、第二续流二极管、第三功率开关管、第三续流二极管、第四功率开关管、第四续流二 极管、第五续流二极管、第六续流二极管，第一功率开关管集电极和第一续流二极管阴极相 连接，其连接处和第一电容一端相连接，第一功率开关管发射极和第一续流二极管阳极相 连接，连接处分别与第二功率开关管集电极与第二续流二极管阴极相连接处以及第五续流 二极管阴极相连接，第二功率开关管发射极和第二续流二极管阳极相连接，连接处分别与 第三功率开关管集电极和第三续流二极管阴极相连接处以及电感一端相连接，第三功率开 关管发射极和第三续流二极管阳极相连接，连接处与第四功率开关管集电极和第四续流二 极管阴极相连接处相连接，第四功率开关管发射极和第四续流二极管阳极相连接，连接处 和第二电容一端相连接；中间直流环节电路包括第一电容、第二电容、电感L，其中第一电 容另一端与第二电容另一端串联，串联点分别与输出中线、电感另一端、第五续流二极管阳 极以及第六续流二极管阴极相连接；输入电压源包括一个输入电压源，其正端与第一功 率开关管集电极和第一续流二极管阴极相连接处相连接，其负端与第四功率开关管发射极 和第四续流二极管阳极相连处相连接。
附图1是本发明三电平半桥电压平衡变换器电路图。附图2是本发明三电平半桥电压平衡变换器控制原理图。附图3是本发明三电平半桥电压平衡变换器工作原理图(电感电流大于零)。附图4是本发明三电平半桥电压平衡变换器工作原理图(电感电流小于零)。附图5是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态1和模态9的示意图。附图6是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态2的示意图。附图7是本发明三电平半桥电压平衡变换器电路模态3的示意图。附图8是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态4的示意图。附图9是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态5的示意图。附图10是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态6的示意图。附图11是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态7的示意图。附图12是本发明三电平半桥电压平衡变换器模态8的示意图。附图13是本发明三电平半桥电压平衡变换器仿真电路图。附图14-17是本发明三电平半桥电压平衡变换器主要仿真波形图。附图1-17中的符号及元件名称说明如下S1, S2, S3、S4 第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关 管，D1, D2, D3, D4 第一功率开关管并联二极管、第二功率开关管并联二极管、第三功率开关 管并联二极管、第四功率开关管并联二极管，D5, D6 第一续流二极管和第二续流二极管，L 电感，Cp C2 第一电容和第二电容，Uoutl, Uout2 第一电容输出电压和第二电容输出电压，Uin 输入直流电压，N 降压式电压平衡变换器输出中点，Ln 输出中线，I:电感L的电流，Usige 第一功率开关管S1的驱动信号，Us2ge 第二功率开关管&的驱动信号，Us3ge 第三功率开关 管&的驱动信号，Us4ge 第四功率开关管&的驱动信号，Usice 第一功率开关管S1集电极和 发射极之间电压，Us2ce 第二功率开关管S2集电极和发射极之间电压，Ussce 第三功率开关 管S3集电极和发射极之间电压，Us4ce 第四功率开关管S3集电极和发射极之间电压，td 死区时间，Ubias 偏置电压，Uc2 第二电容C2上电压，Uref 输入电压Uin的一半。
具体实施例方式以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进 一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。实施例1参照附图1。一种三电平半桥电压平衡变换器电路，其特征在于，它包括一个输入 电压源1、一个三电平半桥电路2、一个中间直流环节电路3。所述的三电平半桥电路2包括第一功率开关管S1、第一续流二极管D1、第二功率 开关管&、第二续流二极管D2、第三功率开关管&、第三续流二极管D3、第四功率开关管、、 第四续流二极管D4、第五续流二极管D5和第六续流二极管D6，第一功率开关管S1的集电极 和第一续流二极管D1的阴极相连接，其连接点为第一连接点4，第一功率开关管S1的发射极 和第一续流二极管D1的阳极相连接，其连接点为第二连接点5，第二功率开关管&的集电 极第二续流二极管A的阴极相连接，其连接点为第三连接点6，第二功率开关管&的发射 极第二续流二极管A的阳极相连接，其连接点为第四连接点7，第三功率开关管&的集电 极第三续流二极管D3的阴极相连接，其连接点为第五连接点8，第三功率开关管&的发射 极第三续流二极管D3的阳极相连接，其连接点为第六连接点9，第四功率开关管、的集电 极和第四续流二极管D4的阴极相连接，其连接点为第七连接点10，第四功率开关管、的发 射极和第四续流二极管D4的阳极相连接，其连接点为第八连接点11 ；第一连接点4和第一 电容C1 一端相连接，第二连接点5分别和第五续流二极管D5的阴极以及第三连接点6相连 接，第四连接点7分别和第五连接点8以及电感L 一端相连接，第六连接点9分别和第七连 接点10以及第六续流二极管D6的阳极相连接，第八连接点11和第二电容C2 —端相连接。所述的中间直流环节电路3包括第一电容C1和第二电容C2、电感L，其中第一电 容(^另一端与第二电容C2另一端串联，其串联点为第一串联点12，输出中线Ln和电感L另 一端、第五续流二极管D5的阳极和第六续流二极管D6的阴极与第一串联点13相连接。所述的输入电压源1包括一个输入电压源，其正端和第一连接点(4)相连接，其 负端和第八连接点11相连接。实施例2参考实例1、附图1、附图2、附图3、附图4以及附图13，三电平半桥电压平衡变换 器控制原理基本思路(1)当第二电容C2上的负载&小于第一电容C1上负载R1时，控制第一功率开关 管S1、第二功率开关管&共同导通时间大于第三功率开关管&、第四功率开关管、共同导 通时间。通过电感L向第二电容C2上的负载&提供一部分额外电能，使第二电容C2上电
压Uout2等于第一电容C1上电压U。utl。(2)当第二电容C2上的负载&大于第一电容C1上负载R1时，控制第一功率开关 管S1、第二功率开关管&共同导通时间小于第三功率开关管&、第四功率开关管、共同导 通时间。通过电感L向第一电容C1上的负载R1提供一部分额外电能，使第一电容C1上电
压Uoutl等于二电容C2上电压Uout2。(3)为了实现第一功率开关管S1、第二功率开关管&、第三功率开关管&以及第四功率开关管、工作在三电平状态，采取使第二功率开关管&和第三功率开关管&比第一 功率开关管S1和第四功率开关管、提前开通、滞后关断控制技术。参照附图2，三电平半桥电压平衡变换器控制原理具体实施方式
为取第二电容C2 上输出电压Uout2作为反馈信号，参考信号Uref为输入电压一半Uin/2，利用电压环调节器控 制Uout2等于输入电压的一半即Uoutl = Uout2,从而实现输出电压平衡。电压环调节器的输出 信号直接送到比较器2和三角波进行比较，其输出信号一路经死区延迟后直接驱动第一功 率开关管S1,另一路取反后经死区延迟后驱动第三功率开关管压环调节器的输出信 号和一个固定直流偏置量Ubisa相加，得到的结果直接送到比较器1和三角波进行比较，其输 出信号一路经死区延迟后直接驱动第二功率开关管&，另一路取反后经死区延迟后驱动第 四功率开关管、。利用直流偏置量实现第二功率开关管&、第三功率开关管&分别比第一 功率开关管S1、第四功率开关管\提前开通、滞后关断，实现功率开关管三电平工作状态。实施例3参照附图2-12。下面仅给出本发明三电平半桥电压平衡变换器电感L电流ij亘 大于零和恒小于零时两种状态下主要波形图见附图3和附图4，其他情况在此忽略。下面仅以电感L电流ij亘大于零时的过程加以具体描述(附图3)，其他情况于此 类似，在此忽略。具体描述如下模态1 :0 < t <、(第一功率开关管S1、第二功率开关管&导通，见附图5)第一功率开关管S1、第二功率开关管&同时导通，利用电感L向第二电容C2上的 负载提供部分电能，电感L电流k增加。模态2 < t < t2 (死区时间td，第二功率开关管&导通，见附图6)在、时刻，关断第一功率开关管Sp由于电感L电流k不能突变，所以电感L电 流k通过第五续流二极管D5和第二功率开关管&续流。第一功率开关管S1集电极和发 射极之间电压Usice等于第一电容C1上电压Uoutl。第三功率开关管&和第四功率开关管、 没有开通，第三功率开关管&和第四功率开关管、的集电极和发射极之间电压U通和Us4ce 之和等于第二电容C2上电压U0ut2o稳态时由于U。utl = Uout2 = Uin/2，所以第一功率开关管S1集电极和发射集之间电 压Usice为Uin/2，而第三功率开关管&和第四功率开关管、的集电极和发射集之间电压Us3ce 和 Us4ce 为 Uin/4。模态3 :t2 < t < t3 (第二功率开关管&、第三功率开关管&导通，见附图7)在t2时亥lj，开通第三功率开关管S3,由于电感L电流k不能突变，所以电感L电流 iL继续通过第五续流二极管D5和第二功率开关管&续流。第一功率开关管S1和第四功率 开关管、集电极和发射集之间电压Usice和Us4ce分别等于第一电容C1上电压Uoutl和第二电 容C2上电压U0ut2o稳态时由于Uoutl = Uout2 = Uin/2，所以第一功率开关管S1和第四功率开关管、的 集电极和发射集之间电压Usice和Us4ce各为Uin/2。模态4 :t3 < t < t4 (死区时间td，第三功率开关管&导通，见附图8)在t3时刻，关断第二功率开关管&。由于电感L电流k不能突变，所以电感L电 流k通过第三续流二极管D3和第四续流二极管D4向第二电容C2和其上负载供电。在此时间段内，由于续流二极管D3和D4导通，所以加在第一功率开关管S1和第二功率开关管&上的电压等于输入Uin。由于前一时刻，第一功率开关管S1的集电极和发射极 之间电压Usice为Uin/2，所以第二功率开关管&的集电极和发射极之间电压Us2ce也为Uin/2。模态5 :t4 < t < t5 (第三功率开关管&、第四功率开关管、导通，见附图9)在t4时刻，开通第四功率开关管、。电感电流k仍然通过第三续流二极管D3和 第四续流二极管D4向第二电容C2充电。所以第一功率开关管S1和第二功率开关管&的集 电极和发射极之间电压Usice和Us2ce仍然各为Uin/2。模态6:t5<t< t6 (死区时间td，第 三功率开关管&导通，见附图10)在t5时刻，关断第四功率开关管、。电感电流k仍然通过第三续流二极管D3和 第四续流二极管D4向第二电容C2充电。所以第一功率开关管S1和第二功率开关管&的集 电极和发射极之间电压仏皿和Us2ce仍然各为Uin/2。模态7 :t6 < t < t7 (第二功率开关管&、第三功率开关管&导通，见附图11)在t6时刻，开通第二功率开关管&。由于电感电流I不能突变，所以电感电流I 通过第五续流二极管D5和第二功率开关管&续流。第一功率开关管S1和第四功率开关管 S4的集电极和发射极之间电压Us皿和Us2ce仍然各为Uin/2。模态8 :t7 < t < t8 (第二功率开关管&导通，见附图12)在t7时刻，关断第三开关管&。电感电流k仍然通过第五续流二极管D5和第二 功率开关管&续流。第一功率开关管S1关断集电极和发射极之间电压US1。E等于第一电容 C1上电压u。utl，而加在第一功率开关管S1和第四功率开关管、集电极和发射极之间电压和 为Uout2O在t6 < t < t7内，第四功率开关管、集电极和发射极之间电压Us4ce等于第二电 容(2上电压U。ut2，所以在该时间段内，由于第四功率开关管、集电极和发射极之间结电容 存在以及其上电压没有放电回路，所以第三功率开关管&集电极和发射极之间电压仏㈣等 于0。在稳态时由于U。utl = Uout2 = Uin/2，所以第一功率开关管S1和第四功率开关管、 的电压应力为Uin/2。模态9 :t8 < t < t9 (第一功率开关管S1、第二功率开关管&导通，见附图5)在t8时刻，开通第一功率开关管&。由于第一功率开关管S1、第二功率开关管& 导通，第一电容C1多余电能向电感L上转移，电感电流k增加。在此时间段内，由于第一功率开关管31和第二功率开关管&同时导通，，所以加在 第三功率开关管&和第四功率开关管、上的电压等于输入Uin0由于前一时刻，第四功率 开关管、电压应力为Uin/2，所以第三功率开关管&电压应力也为Uin/2。下面又进入模态1过程。其他工作过程在此略述。实施例4参照附图13-17。用实施例1所述的三电平半桥电压平衡变换器所做的主要仿真， 三电平半桥电压平衡变换器仿真电路图如附图13所示。附图13中仿真参数功率开关管的工作频率为25KHz，输入电压Uin在70ms时从 600V线性增加到700V,电感L为200 μ H，第一电容C1、第二电容C2分别为1000 μ F，第一电 容C1上阻性负载R1,第二电容C2上阻性负载&。在附图14和附图15中，队=10Ω，& = 10ΚΩ。从电感电流、、第二电容电压
Uout2以及输入电压Uin关系中，可以看出由于& >队并且两者相差很大，所以电感L电流在开关周期内恒为负，即通过电感L对第一电容C1充电，电压上升，第二电容C2电压降 低，从而达到两个电压相等。从电压变化过程中，三电平降压式电压平衡变换器的输出电压 Uoutl (Uoutl = Uin-Uout2)等于输出电压u。ut2，很好地得到了一个中点电压，实现了输出电压平 衡。同时也可以看出，每个功率开关管的电压应力只有输入电压的一半。在附图16和附图17中，队=10ΚΩ，& = 10Ω。从电感电流、、第二电容电压 Uout2以及输入电压Uin关系中，可以看出由于R2 <队并且两者相差很大，所以电感L电流 在开关周期内恒为正，即通过电感L对第二电容C2充电，电压上升，第一电容C1电压降低， 从而达到两个电压相等。在输入电压变化过程中，三电平降压式电压平衡变换器的输出电 压U。utl(U。utl =Uin-U。ut2)等于输出电压U。ut2，很好地得到了一个中点电压，实现了输出电压 平衡。同时也可以看出，每个功率开关管的电压应力也只有输入电压的一半。从仿真结果表明三电平半桥电压平衡变换器能够获得一个稳定的中点输出电 压，从而可以构造一个中线；同时每个功率开关管的电压应力也只有输入电压的一半。
权利要求
1. 一种三电平半桥电压平衡变换器，包括一个输入直流电压源(1)、一个三电平半桥 电路O)、一个中间直流环节电路(3)，其特征在于三电平半桥电路(2)包括第一功率开 关管S1、第一续流二极管D1、第二功率开关管&、第二续流二极管D2、第三功率开关管&、第 三续流二极管D3、第四功率开关管、、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5和第六续流二 极管D6,其中第一功率开关管S1的集电极和第一续流二极管D1的阴极相连接，其连接点为 第一连接点，第一功率开关管31的发射极和第一续流二极管D1的阳极相连接，其连接点 为第二连接点(5)，第二功率开关管&的集电极第二续流二极管&的阴极相连接，其连接 点为第三连接点(6)，第二功率开关管&的发射极第二续流二极管D2的阳极相连接，其连 接点为第四连接点(7)，第三功率开关管&的集电极第三续流二极管D3的阴极相连接，其 连接点为第五连接点(8)，第三功率开关管&的发射极第三续流二极管D3的阳极相连接， 其连接点为第六连接点(9)，第四功率开关管、的集电极和第四续流二极管D4的阴极相连 接，其连接点为第七连接点(10)，第四功率开关管、的发射极和第四续流二极管D4的阳极 相连接，其连接点为第八连接点(11)；中间直流环节电路⑶包括第一电容C1、第二电容 C2和电感L，其中第一电容C1 一端与第二电容(2—端串联，其串联点为第一串联点(12)，输 出中线Ln、电感L 一端、第五续流二极管D5的阳极和第六续流二极管D6的阴极分别与第一 串联点(1 相连接；输入直流电压源(1)包括一个输入电压源Uin，其正端和第一连接点 (4)相连接，其负端和第八连接点(11)相连接；第一连接点(4)和第一电容C1另一端相连 接，第二连接点( 分别和第五续流二极管D5的阴极以及第三连接点(6)相连接，第四连 接点(7)分别和第五连接点(8)以及电感L另一端相连接，第六连接点(9)分别和第七连 接点(10)以及第六续流二极管D6的阳极相连接，第八连接点(11)和第二电容C2另一端相 连接。
全文摘要
本发明是三电平半桥电压平衡变换器，其特征在于，它包括输入电压源、三电平半桥电路、中间直流环节电路；三电平半桥电路包括第一功率开关管S1及并联二极管D1、第二功率开关管S2及并联二极管D2、第三功率开关管S3及并联二极管D3、第四功率开关管S4及并联二极管D4以及第一续流二极管D5、第二续流二极管D6；中间直流环节电路包括第一电容C1、第二电容C2、电感L；一个输入电压源包括输入电压源Uin。本发明三电平半桥电压平衡变换器将直流微型电网中两根直流线输电方式变成三根直流线输电方式，满足直流电网中不同功率变换器对输入电压的要求。它是三电平半桥结构，有利于采用低压器件。
文档编号H02M3/155GK102104333SQ20101058791
公开日2011年6月22日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者张先进, 张方华, 王慧贞, 陈家伟, 龚春英 申请人:南京航空航天大学