专利名称：一种三电平大降压直流变换器及其脉冲宽度调制方法
技术领域：
本发明涉及电力 电子功率变换技术领域，涉及一种三电平大降压直流变换器及其脉冲宽度调制方法。
背景技术：
直流功率变换技术是将恒定的或变化的直流电压通过直流变换器，变换成直流负载所需的电压。而负载所需的电压，一般需要对输入直流电压进行降压或升压，在小功率领域，通常采用传统的单个主功率开关的两电平Buck和Boost直流变换器来进行电压转换。随着直流负载功率等级的提高，以及输入/输出电压较高，现有的功率开关面临着耐压等级和开关频率之间的矛盾。对于降压型Buck直流变换器，在直流输入电压等级较高的场合，单个主功率开关的耐压等级不够、或功率开关的开关频率较低，难以完成高压输入/低压输出的大功率直流变换。多电平功率变换技术能够很好地解决上述的问题，基于两个主功率开关的三电平 Buck直流变换器使得主功率开关承受的电压应力为输入直流电压的一半。但现有技术中的普通三电平Buck直流变换器在大比例降压时，主功率开关的占空比容易工作在极端状态， 尤其直流变换器的主功率开关在高频工作时，极端占空比制约了普通三电平Buck直流变换器实现大比例降压的大功率变换。
发明内容
为了避免主功率开关的占空比处于极端状态，实现直流变换器的大比例降压的大功率变换，本发明提出了一种三电平大降压直流变换器及其脉冲宽度调制方法，详见下文描述一种三电平大降压直流变换器，所述直流变换器输入为高压直流电压，输出为低压直流电压，并且输入输出的直流降压比大于等于4，所述直流变换器由左右半桥组成，包括第一飞跨电容、第二飞跨电容、第一主功率开关、第二主功率开关、第三主功率开关、第四主功率开关、第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、滤波电容、储能电感和直流负载，其中，所述第一飞跨电容和所述第二飞跨电容等容量，输入端的所述高压直流电压的正极性端分别与所述第一主功率开关的集电极和所述第三功率二极管的阴极相连；所述第一主功率开关的发射极分别与所述第二主功率开关的集电极和所述第一飞跨电容的一端相连，所述第二主功率开关的发射极和左半桥的中点相连；所述左半桥的中点分别与所述第一功率二极管的阴极和所述储能电感的一端相连；所述第一功率二极管的阳极分别与所述第一飞跨电容的另一端和所述第二功率二极管的阴极相连；所述第二功率二极管的阳极分别与输入端的所述高压直流电压的负极性端和所述第四主功率开关的发射极相连；所述左半桥的中点为正极性端；所述储能电感的另一端分别与所述滤波电容的一端和所述直流负载的一端相连；所述滤波电容的另一端和所述直流负载的另一端分别与右半桥的中点相连；所述右半桥的中点分别与所述第四功率二极管的阳极和所述第三主功率开关的集电极相连；所述第四功率二极管的阴极分别与所述第三功率二极管的阳极和所述第二飞跨电容的一端相连；所述第三主功率开关的发射极分别与所述第四主功率开关的集电极和所述第二飞跨电容的另一端相连；所述右半桥的中点为负极性端。所述第一主功率开关、所述第二主功率开关、所述第三主功率开关和所述第四主功率开关为低耐压的可控主功率开关。 一种三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，所述方法包括以下步骤(1)对第一主功率开关、第二主功率开关、第三主功率开关和第四主功率开关进行独立控制，获取占空比与第一调制系数ma和第二调制系数mb的关系式，滤波电容输出的低压直流电压和高压直流电压与第一调制系数1和第二调制系数mb的关系式；(2)在任一载波周期内，第一反向交错载波和第二反向交错载波交错分布，根据所述第一调制系数ma和所述第二调制系数mb获取脉冲宽度控制规则。所述占空比与第一调制系数％和第二调制系数mb的关系式为
权利要求
1.一种三电平大降压直流变换器，其特征在于，所述直流变换器输入为高压直流电压 (Uin)，输出为低压直流电压(U。)，并且输入输出的直流降压比大于等于4，所述直流变换器由左右半桥组成，包括第一飞跨电容(C1)、第二飞跨电容(C2)、第一主功率开关(S1)、第二主功率开关(S2)、第三主功率开关(S3)、第四主功率开关(S4)、第一功率二极管(D1)、第二功率二极管(D2)、第三功率二极管(D3)、第四功率二极管(D4)、滤波电容(Cf)、储能电感(Lf) 和直流负载(R)，其中，所述第一飞跨电容(C1)和所述第二飞跨电容(C2)等容量，输入端的所述高压直流电压(Uin)的正极性端分别与所述第一主功率开关(S1)的集电极和所述第三功率二极管(D3)的阴极相连；所述第一主功率开关(S1)的发射极分别与所述第二主功率开关(S2)的集电极和所述第一飞跨电容(C1)的一端相连，所述第二主功率开关 (S2)的发射极和左半桥的中点(a)相连；所述左半桥的中点(a)分别与所述第一功率二极管(D1)的阴极和所述储能电感(Lf)的一端相连；所述第一功率二极管(D1)的阳极分别与所述第一飞跨电容(C1)的另一端和所述第二功率二极管(D2)的阴极相连；所述第二功率二极管(D2)的阳极分别与输入端的所述高压直流电压(Uin)的负极性端和所述第四主功率开关(S4)的发射极相连；所述左半桥的中点(a)为正极性端；所述储能电感(Lf)的另一端分别与所述滤波电容(Cf)的一端和所述直流负载(R)的一端相连；所述滤波电容(Cf)的另一端和所述直流负载(R)的另一端分别与右半桥的中点(b)相连；所述右半桥的中点(b)分别与所述第四功率二极管(D4)的阳极和所述第三主功率开关(S3)的集电极相连；所述第四功率二极管(D4)的阴极分别与所述第三功率二极管(D3)的阳极和所述第二飞跨电容(C2) 的一端相连；所述第三主功率开关(S3)的发射极分别与所述第四主功率开关(S4)的集电极和所述第二飞跨电容(C2)的另一端相连；所述右半桥的中点(b)为负极性端。
2.根据权利要求1所述的一种三电平大降压直流变换器，其特征在于，所述第一主功率开关(S)、所述第二主功率开关(S2)、所述第三主功率开关(S3)和所述第四主功率开关 (S4)为低耐压的可控主功率开关。
3.一种用于权利要求1或2所述的三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)对第一主功率开关(S1)、第二主功率开关(S2)、第三主功率开关(S3)和第四主功率开关(S4)进行独立控制，获取占空比与第一调制系数1和第二调制系数mb的关系式，滤波电容输出的低压直流电压(U。)和高压直流电压(Uin)与第一调制系数队和第二调制系数mb 的关系式；(2)在任一载波周期内，第一反向交错载波和第二反向交错载波交错分布，根据所述第一调制系数ma和所述第二调制系数mb获取脉冲宽度控制规则。
4.根据权利要求3所述的三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述占空比与第一调制系数&和第二调制系数mb的关系式为\d2 = ma[d3 = I-mb其中，d2、d3分别为所述第二主功率开关(S2)、所述第三主功率开关(S3)的占空比。
5.根据权利要求3所述的三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述滤波电容输出的低压直流电压(U。)和高压直流电压(Uin)与第一调制系数队和第二调制系数mb的关系式为U0 = UinX (ma-mb)。
6.根据权利要求3所述的三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，其特征在于，所述脉冲宽度控制规则为
7.根据权利要求3所述的三电平大降压直流变换器的脉冲宽度调制方法，其特征在于，ma-mb > 0,且 mb > 0. 5。
全文摘要
本发明公开了一种三电平大降压直流变换器及其脉冲宽度调制方法，涉及电力电子功率变换技术领域，本发明提供的直流变换器，各主功率开关承受的电压应力为输入的高压直流电压的一半，可以选用低耐压、高开关频率的主功率开关，有利于减小滤波器体积；采用左右半桥的结构，直流变换器输出的PWM脉冲电压为左右半桥输出的直流三电平电压之差，大比例降压输出时，可避免主功率开关工作在极端占空比状态；PWM控制方法在优化主功率开关占空比的同时，能控制第一飞跨电容和第二飞跨电容的电压平衡(为输入的高压直流电压的一半)，保证直流变换器运行性能良好。
文档编号H02M3/07GK102332818SQ201110269630
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者张云 申请人:天津大学