一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法，其控制时序为第一、第三和第五开关管的导通时间相同，占空比变化范围为0~1/2，其开通时间相隔1/3开关周期，通过调节第一、第三和第五开关管的占空比来控制输出电压。第二、第四和第六开关管的导通时间相同且分别与第五、第一和第三开关管对应互补导通，互补的两只开关管之间预留一定的延迟时间。该发明使所有开关管的电压应力均为输入电压的一半，可以减小开关管的电流应力和输出滤波电感。实现开关管的零电压开关，并能实现输入分压电容电压自动均衡。
【专利说明】一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法，属于电力电子变换技术的直流变换领域。
【背景技术】
[0002]全桥变换器具有电路结构简单、恒频控制、开关管可实现软开关等优点，因此被广泛应用于中大功率直流变换场合。随着变换器输出功率的增加，开关管的电流应力也随之增加，此时可将多个变换器并联或开关器件并联，但会带来诸如均流以及控制复杂等问题。为解决该问题，可采用三相全桥直流变换器，它是在全桥变换器的基础上增加一个桥臂，变压器和整流桥均为三相结构。该变换器可有效减小开关管电流应力，同时可大幅提高输入输出电流脉动频率，进而减小滤波器。但该拓扑是由全桥变换器演化而来，开关管的电压应力仍为输入电压。
[0003]为降低开关管电压应力，以适应高电压输入需求，有学者提出三相三电平直流变换器拓扑，其中本发明人公开了一种三相三电平直流变换器及其对称控制方法的发明专利(专利号201010598995.8)，该电路结构简单，开关管电压电流应力低，适用于高压大功率应用场合。它采用一种对称控制方式，可以大幅提高输入输出电流脉动频率，减小滤波器体积重量。但在该控制方式下，同一桥臂的两只开关管必定存在同时关断时间，在该时段内，两只开关管结电容同时参与谐振，无法保证在开关管开通之前其两端电压恰好谐振至零，因此开关管为硬开关，存在较大的开关损耗。
【发明内容】
[0004]为解决上述【背景技术】存在的问题，本发明目的是针对简化型三相三电平直流变换器，提出一种不对称控制方法，实现变换器的高效率、高功率密度和高可靠性。
[0005]为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是:
一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法，其中的简化型三相三电平直流变换器包括输入分压电容电路、半桥三电平单元、全桥单元、三相隔离变压器和整流及滤波电路。其中，半桥三电平单元包括第一和第二续流二级管、飞跨电容及第一、第三、第四和第六开关管。全桥单元包括第一、第二、第四和第五开关管，全桥单元与半桥三电平单元共用第一和第四开关管。第六开关管的漏极连接输入分压电容电路的正输入端，第三开关管的源极连接输入分压电容电路的负输入端，第六开关管的源极分别连接第一续流二极管的阴极、飞跨电容的一端、第一开关管的漏极和第五开关管的漏极，第三开关管的漏极分别连接第二续流二极管的阳极、飞跨电容的另一端、第四开关管的源极和第二开关管的源极。本发明的控制方法在于:第一、第三和第五开关管的导通时间相同，其占空比变化范围为O?1/2，其开通时间相隔1/3开关周期，通过调节第一、第三和第五开关管的占空比来控制输出电压。第二、第四和第六开关管的导通时间相同且分别与第五、第一和第三开关管对应互补导通，互补的两只开关管之间有延迟时间。[0006]采用上述的技术方案，本发明具有以下的技术效果:
(1)可降低开关管电流定额，所有开关管电压应力为输入电压的一半，同时可减小输出滤波电感；
(2)可利用变压器漏感或外加谐振电感与开关管结电容谐振，实现开关管的零电压开关，变换器具有高效率；
(3)可以有效实现输入分压电容电压均衡。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是本发明涉及的简化型三相三电平直流变换器电路结构示意图。
[0008]图2是本发明的不对称控制方法的开关时序图。
[0009]图3是本发明在小占空比模式下的波形示意图。
[0010]图4是本发明在中占空比模式下的波形示意图。
[0011]图5是本发明在大占空比模式下的波形示意图。
[0012]图图11是本发明在小占空比模式下I?6开关模态的等效电路图。
[0013]图12是本发明在小占空比模式下t5之后开关模态的等效电路图。
[0014]图13是不同变换器的输出滤波电感对比曲线图。
[0015]图14是不同变换器的开关管电流应力对比曲线图。
[0016]图15是本发明在小占空比模式下Cdl、Cd2充放电工作波形图。
[0017]图16是本发明在中占空比模式下Cdl、Cd2充放电工作波形图。
[0018]图17是本发明在中占空比模式下Q2软开关波形图。
[0019]图18是本发明在中占空比模式下Q5软开关波形图。
[0020]图19是本发明在小占空比模式下Q2软开关波形图。
[0021]图20是本发明在小占空比模式下Q5软开关波形图。
[0022]附图1的标号说明:1—输入分压电容电路，2—半桥三电平单元，
3—全桥单元，4—三相隔离变压器，5—整流及滤波电路。
[0023]上述附图中的主要符号名称:Vin是输入直流电压；Cdl、Cd2是输入分压电容；Ql?Q6是第一?第六开关管；C1?C6是第一?第六开关管寄生电容；D1?D6是第一?第六开关管体二极管；Dfl、Df2是续流二极管；Css是飞跨电容；Tra、Trb、Trc是三相隔离变压器的a相、b相和c相；Llka、Llkb、Llkc是隔离变压器原边寄生漏感；DR1?DR6是副边整流二极管；Lf是输出滤波电感；Cf是输出滤波电容；RLd是负载；vAB是A与B两点间电压；vAC是A与C两点间电压；vBC是B与C两点间电压；vreCt是副边整流电压；Vo是输出电压；iA、iB、iC是流出A点、B点和C点的电流；ipa、ipb、ipc是隔离变压器a相、b相和c相的原边电流；isa、isb、isc是隔离变压器a相、b相和c相的副边电流。
【具体实施方式】
[0024]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025]图1表示本发明所涉及的简化型三相三电平直流变换器结构示意图，由输入分压电容电路1、半桥三电平单元2、全桥单元3、三相隔离变压器4、整流及滤波电路5组成。半桥三电平单元由开关管Ql、Q3、Q4和Q6及其各自的体二极管和寄生电容、续流二极管Dfl和Df2以及飞跨电容Css组成；全桥单元由开关管Q1、Q2、Q4和Q5组成。三相隔离变压器的原边绕组采用三角形连接方式，副边绕组采用星形连接方式，副边采用三相桥式整流电路，DR1-DR6是副边整流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RLd是负载。
[0026]图2叙述本发明控制方法的开关时序图，其中横坐标t表示时间，纵坐标D表示占空比。如图所示，Q1、Q3和Q5的导通时间相同，占空比变化范围为0-1/2，其开通时间相隔1/3开关周期，通过调节Q1、Q3和Q5的占空比来控制输出电压。Q2、Q4和Q6分别与Q5、Q1和Q3互补导通，互补的两只开关管之间预留一定的延迟时间，一方面防止桥臂直通，另一方面为开关管实现ZVS提供条件。由于两组开关管的导通时间不同，因此称之为不对称控制方式。
[0027]根据占空比的不同，变换器存在三种工作模式，当占空比小于1/3时，定义为小占空比模式；当占空比介于1/3到可调压临界占空比(其值由实际电路参数决定)之间时，为中占空比模式；当占空比大于可调压临界占空比时，为大占空比模式。图3、4、5分别给出了不同工作模式下的主要波形图。其中，在中、小占空比模式下，调节占空比可以改变输出电压值，而在大占空比模式下，如图5所示，在一个开关周期内，副边整流电压vrect存在两个电平值，分别为0.75kVin和kVin，k为变压器副原边变比。这两个电平值所对应的时间段是一定值，在该模式下，输出电压不可调，因此实际设计时不允许变换器工作在该模式下。
[0028]下面结合图3~图12叙述简化型三相三电平直流变换器采用不对称控制方式的具体工作原理。由附图3可知该变换器在一个开关周期有18种开关模态，其中，[t0以前，t5]为前1/3周期，其余为后2/3周期。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
[0029]在分析之前，作如下假设:①所有开关管和二极管均为理想器件；②所有电感、电容和隔离变压器均为理想组件；③飞跨电容Css足够大，稳态时其电压为Vin/2 输出滤波电感足够大，在一个开关周期内可以看作是一个电流值为1的恒流源，其中1为输出电流。
[0030]1.开关模态I [tO以前][`对应于图6]
tO时刻以前，开关管Ql、Q2和Q6导通，副边仅有整流管DRl和DR6导通。此时vAB=Vin/2, vBC=0, vCA= 一 Vin/2,根据变压器原副边电压关系可得，vrect=kVin, k为变压器每相副边对原边的变比。
[0031]2.开关模态2 [tO-tl][对应于图7]
tO时刻，Ql关断，iA给Cl充电，同时给C4放电，vrect开始线性下降。由于Cl和C4限制了 Ql的电压上升率，因此Ql为零电压关断。tl时刻，Cl和C4充放电结束，D4导通，vrect下降至零。
[0032]3.开关模态3 [tl-t2][对应于图8]
Cl和C4充放电结束后，原来流经Cl的电流转移至飞跨电容Css，使Css两端电压略有升高，因此Df2关断。在该模态中开通Q4，由于在开通之前，Q4两端的电压已被D4箝位在零，所以Q4为零电压开通，流过D4的电流转移至Q4的沟道中。副边整流管DR1、DR6导通，vrect为零。
[0033]4.开关模态4 [t2-t3][对应于图9]
t2时刻,开关管Q6关断,vAB反向增加，即vBA开始上升,如果vpa保持不变,此时相当于在Llka上施加一个和电流方向相反的电压，因此ipa会减小，不足以提供负载电流，从而DR3开通。此后，结电容C3、C6和漏感以及外加谐振电感发生谐振，ipa谐振减小。当C3两端电压降为零时，D3自然导通。
[0034]5.开关模态5 [t3-t4][对应于图10]
D3导通后即可开通Q3，由于Q3两端电压被D3箝位在零，因此其为零电压开关。该模态中，开关管 Q2、Q3、Q4 导通，副边整流管 DR1、DR3、DR6 导通。vAB= — Vin/2, vBC=Vin/2,vCA=0, vrect=0。注意到DRl的电流值一直在减小，当isa减小到零时,DRl关断,DR2开通。
[0035]6.开关模态6 [t4-t5][对应于图11]
在该模态中，根据原副边电压关系可求得vrect为0.75kVin。注意到DR6的电流值在减小。当isc减小为零时，DR6关断，Trc原副边电流均为零。
[0036]此后，开关管Q2、Q3和Q4导通，副边整流管DR2和DR3导通，vrect为kVin，类似于模态1，其等效电路图如图12所示。
[0037]在本发明的控制方式下，由于采用三相电路结构，副边整流电压频率是传统单相变换器的1.5倍，因此可以有效降低输出滤波电感电流脉动，进一步减小输出滤波电感。图13给出三相三电平变换器和半桥三电平变换器输出滤波电感的对比曲线，其中设计参数为:Vin=540V~660V，Vo=48V，fs=50kHz，1=20A，AiLf =4 A。由图 5 可知，同半桥三电平变换器相比，采用不对称控制方式的三相三电平变换器可明显减小输出滤波电感，在上述设计参数下，仅相当于半桥三电平变换器的51.4%。
[0038]同样由于采用三相电路结构，变换器可以降低开关管电流有效值。图14给出不对称控制方式三相三电平变换器与移相控制半桥三电平变换器中开关管电流有效值的对比曲线，设计参数同上。从中看出，同半桥三电平变换器相比，三相三电平变换器可有效减小开关管电流有效值。`
[0039]在本发明涉及的三相三电平变换器主电路拓扑中，输入侧接有分压电容Cdl和Cd2，其容量很大且相等。由于采用不对称控制方式，两个分压电容的电压可能会不均衡，进而导致半桥三电平单元中点电位不平衡，为此需要分析分压电容的均压问题。为简化分析，忽略谐振电感和漏感的影响。
[0040]图15和16分别给出了小占空比模式和中占空比模式下Cdl、Cd2充放电的工作波形。下方的表1给出了两种不同工作模式下一个开关周期内Cdl、Cd2的能量增减情况，其中“丨”表示电容放电，“丨”表示电容充电。
[0041]表1
【权利要求】
1.一种简化型三相三电平直流变换器的不对称控制方法，所涉及的简化型三相三电平直流变换器包括输入分压电容电路、半桥三电平单元、全桥单元、三相隔离变压器和整流及滤波电路，其中半桥三电平单元包括第一和第二续流二极管、飞跨电容及第一、第三、第四和第六开关管，全桥单元包括第一、第二、第四和第五开关管，全桥单元与半桥三电平单元共用第一和第四开关管，第六开关管的漏极连接输入分压电容电路的正输入端，第三开关管的源极连接输入分压电容电路的负输入端，第六开关管的源极分别连接第一续流二极管的阴极、飞跨电容的一端、第一开关管的漏极和第五开关管的漏极，第三开关管的漏极分别连接第二续流二极管的阳极、飞跨电容的另一端、第四开关管的源极和第二开关管的源极，第一续流二极管阳极与第二续流二极管阴极的连接点连接输入分压电容电路中第一分压电容另一端与第二分压电容另一端的连接点，第一开关管源极与第四开关管漏极的连接点通过a相变压器原边寄生漏感连接a相变压器原边绕组的同名端，第一续流二极管阳极与第二续流二极管阴极的连接点通过b相变压器原边寄生漏感连接b相变压器原边绕组的同名端，第五开关管源极与第二开关管漏极的连接点通过c相变压器原边寄生漏感连接c相变压器原边绕组的同名端，a相变压器副边绕组的同名端连接第一整流二极管阳极与第二整流二极管阴极的连接点，b相变压器副边绕组的同名端连接第三整流二极管阳极与第四整流二极管阴极的连接点，c相变压器副边绕组的同名端连接第五整流二极管阳极与第六整流二极管阴极的连接点，其特征在于:第一、第三和第五开关管的导通时间相同，其占空比变化范围为O?1/2，其开通时间相隔1/3开关周期，通过调节第一、第三和第五开关管的占空比来控制输出电压；第二、第四和第六开关管的导通时间相同且分别与第五、第一和第三开关管对应互补导通，互补的两只开关管之间有延迟时间。
【文档编号】H02M7/5387GK103501126SQ201310405692
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】刘福鑫, 陈悦, 胡高平, 阮新波 申请人:南京航空航天大学