一种新型电压平衡器的制作方法

本实用新型涉及电子元件领域，具体涉及一种新型电压平衡器。

背景技术：

随着社会发展速度的日益加快，人类对能源的需求不断提高，化石能源的日益枯竭与社会发展对能源的高需求之间的矛盾，迫使人们越来越关注可再生能源的开发和利用，基于电池储能系统的风能、太阳能、生物质能、地热能、潮汐能等可再生新能源发电技术得到了前所未有的飞速发展。

VSC控制直流配电网的总电压Vdc维持在(760V，±5％)，并起到无功补偿、谐波治理和平衡三相不对称电流的作用，而VBC将两极直流电压控制在(±380V，±5％)。在直流侧总电压满足要求的前提下，当直流负荷或DG在两极之间分布不平衡，将导致正负极电压偏离额定值。因此，VBC的作用在于进一步使正负极电压保持平衡，而不受直流负荷或DG分布不平衡的影响。对于小容量DG和直流负荷，可接入由正极或负极与中性线构成的相间380V回路，容量较大的DG及直流负荷，接入由正负两极构成的线间760V回路。

常见的传统VBC的结构由一个半桥结构，再加两个串联电容组成，通过控制电感电流的大小和方向实现对两个电容电压的平衡控制。因这种结构采用半桥结构，可能会产生桥臂直通而造成短路的问题，且其控制也相对复杂。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种新型电压平衡器，避免了传统桥式拓扑结构中功率开关直通问题，提高了系统可靠性；通过该电压平衡器构造一条中线，形成电压为(380V，±5％)的双极性三线制直流配电网，使直流配电网具有760V和380V两种电压等级，提高了系统的灵活性。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种新型电压平衡器，包括P-cell桥臂、N-cell桥臂、电感L1、电感L2、分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2，P-cell桥臂和N-cell桥臂反向耦合，分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2串联，中点接地，N-cell桥臂由MOSFET开关S1和高开关频率二极管D1构成，P-cell桥臂由MOSFET开关S2和高开关频率二极管D2构成，P-cell桥臂、N-cell桥臂中点串联电感L1、电感L2，电感L1、电感L2之间的中点分别与分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2相连接；P-cell桥臂的MOSFET开关S1和N-cell桥臂MOSFET开关S2独立控制。

作为优选，所述电压平衡器设有电压上限Vupper、电压下限Vlower、允许上限Vupper-allown、允许下限Vlower-allown和约束直流侧两极电压的运行区间。

作为优选，所述电压平衡器采用基于恒定电流脉冲的触发模式控制。

作为优选，所述电压平衡器采用周期性跳跃技术的开关工作模式。

本实用新型具有以下有益效果：

避免了因功率开关串联不同相而引发的电流击穿问题；因通过电力开关二极管的电流是单向的，可以提高可靠性，使得电源开关的反向恢复损耗大大降低；利用MOSFET开关和高开关频率二极管的结合，可以大大降低电压平衡器的重量和体积。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种新型电压平衡器的结构示意图。

图2(a)-图2(d)为图1中VBC基于CCM模式的四个基本运行过程；

图3为基于恒定电流脉冲的触发模式控制的VBC控制框图；

图4(a)-图4(d)为本实用新型实施例一种新型电压平衡器三种不同工作模式下的波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种新型电压平衡器，包括P-cell桥臂、N-cell桥臂、电感L1、电容L2、分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2，P-cell桥臂和N-cell桥臂反向耦合，分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2串联，中点接地，P-cell桥臂由MOSFET开关S1和高开关频率二极管D1构成，N-cell桥臂桥臂由MOSFET开关S2和高开关频率二极管D2构成，P-cell桥臂、N-cell桥臂中点串联电感L1、电感L2，电感L1、电感L2之间的中点分别与分裂直流母线电容器C1和分裂直流母线电容器C2相连接；P-cell桥臂的MOSFET开关S1和N-cell桥臂的MOSFET开关S2独立控制。

所述电压平衡器设有电压上限Vupper、电压下限Vlower、允许上限Vupper-allown、允许下限Vlower-allown和约束直流侧两极电压的运行区间。

所述电压平衡器采用基于恒定电流脉冲的触发模式控制。

所述电压平衡器采用周期性跳跃技术的开关工作模式。

本具体实施的工作原理为：当负载R_load1＞R_load2时，电容C1的电压V_dc1将增加，电容C2的电压V_dc2将减小，但V_dc由于UPC前端VSC的控制而保持不变。此时，P-cell桥臂工作，产生正向的电感电流i_L1向功率较大的负载补充不足部分能量，保证输出电压平衡。同理，当负载R_load1＜R_load2时，VBC中的N-cell桥臂将开始工作以控制两个电容的电压保持平衡。这样可以极大地提高电压平衡器的工作效率，并且使电压平衡器能更加稳定的运行，避免由于开关信号引起的直通问题。

在连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)下，VBC的整个运行过程可被分为四个子过程，四种子过程的运行模式如图2(a)-图2(d)所示。图中的实线部分代表不同的工作过程中电流的实际流通路径，虚线代表这些支路在对应的工作过程中无电流流过。

1)过程1：当R_Load1＞R_Load2时，若不加控制时，电容C1的电压V_dc1将会增大，电容C2的电压V_dc2将会减小。此时，VBC中的开关S₁开通，电感中的正向电流i_L1将会线性增加。在这种模式中，P-cell将通过电感L₁向负载R_load2传递额外的电量，使电容C1和C2两端的电压保持相等，该工作模式如图2(a)所示。

2)过程2：当开关S₁关断，由于电感电流不能突变以及续流二极管的存在，电流i_L1将继续通过续流二极管D₁，这个过程将一直持续到开关S₂再次打开为止，该工作模式如图2(b)所示。

3)过程3：同理，当R_load1＜R_load2时，若不加控制时，电容C₁的电压V_dc1将会减小，电容C₂的电压V_dc2将会增大。此时，VBC中的开关S₂开通，电感中的反向电流i_L2将线性增加。这种模式下，N-cell通过电感L₂向负载R_load1传递额外的电量以使电容C₁和C₂两端的电压保持相等，该工作模式如图2(c)所示。

4)过程4：当开关S₂关断，由于电感电流不能突变以及续流二极管的存在，电流i_L2将继续通过续流二极管D₂，这个过程将一直持续到开关S₁再次打开为止，该工作模式如图2(d)所示。

根据直流网络中两极负荷的不同，VBC的工作模式分为P-cell模式(P-cell mode，PCM)、自然平衡模式(natural-balance-mode，NBM)和N-cell模式(N-cell mode，NCM)三种，其具体的工作过程如图4(a)-图4(d)所示。

(1)PCM模式：如图4(a)所示，当负载R1＞R2时，电压Vdc1增加，同时Vdc2下降，但Vdc保持不变，即Vdc1和Vdc2之总不变。在电压Vdc2不断下降并触及电压下限Vlower时，P-cell桥臂中的开关S1将触发导通，VBC将工作在恒定电流模式下，并控制电感电流保持在预设的参考值IL-ref附近。这时，Vdc2将开始升高至允许电压下限Vlower-allowed，在脉冲模式切换期间电压差应该满足的条件为Vupper-allowed-Vlower-allowed＜Vdc1-Vdc2＜Vupper-Vlower。此后，当电压Vdc2再次触及电压下限Vlower时，开关S1再次工作。当VBC运行于P-cell模式下时，正向的电感电流iL会将上侧电容多余的能量转移至下侧。

(2)NBM模式：如图4(b)和(d)所示，当电压Vdc1，Vdc2能够自动地保持在允许电压下限Vlower-allowed和上限Vupper-allowed之间而不需控制时，VBC此时不会工作，这也将减少与之对应的开关损耗和导通损耗。

(3)NCM模式：如图4(c)，当负载R1＜R2，电压Vdc1下降，同时Vdc2增加。同样，因为VSC的控制，Vdc保持不变。当Vdc2不断增加并触及电压上限Vupper时，N-cell桥臂中的开关S2将触发导通，VBC将工作在恒定电流模式下，并使控制电感电流保持在预设的参考值IL-ref附近，在此期间电压差应该满足的条件为Vupper-allowed-Vlower-allowed＜Vdc2-Vdc1＜Vupper-Vlower。此后，当电压Vdc2再次触及电压上限Vupper时，开关S2不起将再次工作。当VBC运行于N-cell模式下时，负向的电感电流iL会将下侧电容多余的能量转移至上侧。

VBC采用这种触发模式控制时，功率开关S1、S2并不是一直处于工作状态，而是仅在两极直流电压不满足设定值时才会工作，电感电流iL将随着开关状态的改变间歇性存在，可有效减少开关次数及损耗，提高效率。根据触发模式控制要求，VBC需分别设置电压上限Vupper、下限Vlower和允许上限Vupper-allown、下限Vlower-allown，约束直流侧两极电压的运行区间。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。