一种三电平直直变换器的制作方法

本发明涉及一种变换器，尤其是一种三电平直直变换器。

背景技术：

近年来，燃料电池和光伏电池等可再生能源由于具有清洁、安全、无污染和可再生等优点，在分布式发电系统和电动汽车中得到广泛应用。在分布式发电系统中，光伏电池的输出通常都是变化范围宽的直流电，而并网逆变器的输入需要恒定的直流电，因此，需要直直变换器把宽变化范围的直流电转换为适合并网的恒定的直流电。在电动汽车领域中，往往需要将燃料电池或蓄电池提供宽范围变化的直流电转换为较高电压的直流电，如380V。在宽输入电压范围的场合，传统电压源变换器存在输入电流脉动大和输出整流二极管电压应力高的问题，而传统电流源变换器存在输出电流脉动大和开关管电压应力高的问题。

公开文献(CN 101388609B)公开的一种低压宽输入推挽正激三电平变换器，解决了上述问题，可工作在三电平和两电平2种工作模式，具有低的整流二极管电压应力，小的输入和输出电流脉动。但存在1个箝位电容，在低压场合需要经过大电流，须多个电容并联进行分流，造成变换器成本较高，不利于推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中变换器的缺点，提出一种整流二极管电压应力低和适合宽输入电压的三电平直直变换器。

本发明的三电平直直变换器，包括输入电源U_in、输入分压电容电路、第一三电平支路、第二三电平支路、隔离变压器、全桥整流电路及滤波电路，其中输入分压电容电路包括第一分压电容C₁和第二分压电容C₂，第一三电平支路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂和第五开关管S₅，第二三电平支路包括第三开关管S₃、第四开关管S₄和第六开关管S₆，隔离变压器包括第一原边绕组N_P1、第二原边绕组N_P2和副边绕组N_S，全桥整流电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄，滤波电路包括滤波电感L_f和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极分别连接第一分压电容C₁的正端、第一开关管S₁的一端和隔离变压器第二原边绕组N_P1的异名端，输入电源U_in的负极分别连接第二分压电容C₂的负端、隔离变压器第一原边绕组N_P1的异名端和第四开关管S₄的一端，第二分压电容C₂的正端分别连接第一分压电容C₁的负端、第五开关管S₅的一端和第六开关管S₆的一端，第五开关管S₅的另一端分别连接第一开关管S₁的另一端和第二开关管S₂的一端，第六开关管S₆的另一端分别连接第三开关管S₃的一端和第四开关管S₄的另一端，第二开关管S₂的另一端连接隔离变压器第一原边绕组N_P1的同名端，第三开关管S₃的另一端连接隔离变压器第二原边绕组N_P2的同名端；隔离变压器副边绕组N_S的异名端连接第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极，隔离变压器副边绕组N_S的同名端连接第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₃的阴极，第一二极管D₁的阴极连接第三二极管D₃的阴极构成全桥整流电路的正端，第二二极管D₂的阳极连接第四二极管D₄的阳极构成全桥整流电路的负端；滤波电感L_f的一端连接全桥整流电路的正端，滤波电感L_f的另一端连接滤波电容C_f的正端，滤波电容C_f的负端连接全桥整流电路的负端。

第五开关管和第六开关管具有反并联二极管；第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。

输入电源U_in为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。

第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。

本发明的三电平直直变换器可工作在三电平和两电平2种工作模式，适用于宽输入电压的场合；其输入和输出电流的纹波小，有利于延长输入电源的使用寿命，减小了滤波器的重量和体积，减小了整流二极管的电压应力，解决了传统电压源变换器整流二极管电压应力高的问题；与推挽正激三电平直直变换器相比，减少了箝位电容，降低了变换器的体积和成本。

附图说明

图1：本发明的三电平直直变换器的拓扑结构图；

具体实施方式

由图1可知，本申请的三电平直直变换器，包括输入电源U_in、输入分压电容电路、第一三电平支路、第二三电平支路、隔离变压器、全桥整流电路及滤波电路，其中输入分压电容电路包括第一分压电容C₁和第二分压电容C₂，第一三电平支路包括第一开关管S₁、第二开关管S₂和第五开关管S₅，第二三电平支路包括第三开关管S₃、第四开关管S₄和第六开关管S₆，隔离变压器包括第一原边绕组N_P1、第二原边绕组N_P2和副边绕组N_S，全桥整流电路包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄，滤波电路包括滤波电感L_f和滤波电容C_f。具体拓扑结构为：输入电源U_in的正极分别连接第一分压电容C₁的正端、第一开关管S₁的一端和隔离变压器第二原边绕组N_P1的异名端，输入电源U_in的负极分别连接第二分压电容C₂的负端、隔离变压器第一原边绕组N_P1的异名端和第四开关管S₄的一端，第二分压电容C₂的正端分别连接第一分压电容C₁的负端、第五开关管S₅的一端和第六开关管S₆的一端，第五开关管S₅的另一端分别连接第一开关管S₁的另一端和第二开关管S₂的一端，第六开关管S₆的另一端分别连接第三开关管S₃的一端和第四开关管S₄的另一端，第二开关管S₂的另一端连接隔离变压器第一原边绕组N_P1的同名端，第三开关管S₃的另一端连接隔离变压器第二原边绕组N_P2的同名端；隔离变压器副边绕组N_S的异名端连接第三二极管D₃的阳极和第四二极管D₄的阴极，隔离变压器副边绕组N_S的同名端连接第一二极管D₁的阳极和第二二极管D₃的阴极，第一二极管D₁的阴极连接第三二极管D₃的阴极构成全桥整流电路的正端，第二二极管D₂的阳极连接第四二极管D₄的阳极构成全桥整流电路的负端；滤波电感L_f的一端连接全桥整流电路的正端，滤波电感L_f的另一端连接滤波电容C_f的正端，滤波电容C_f的负端连接全桥整流电路的负端。

第五开关管和第六开关管具有反并联二极管；第一～第六开关管为IGBT或MOSFET。

输入电源U_in为蓄电池、燃料电池或光伏电池中的一种。

第一～第四二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管。

本申请变换器的控制方法如下：第一开关管驱动信号和第五开关管驱动信号互补，第四开关管驱动信号和第六开关管驱动信号互补；存在三电平和两电平2种工作模式，当工作在三电平工作模式时，第二开关管和第三开关管180°互补导通，第一开关管和第四开关管以脉动宽度调制方式进行工作来稳定输出电压U_o；当工作在两电平工作模式时，第一开关管和第四开关管关断(即占空比为0)，第五开关管和第六开关管常通(即占空比为1)，第二开关管和第三开关管以脉动宽度调制方式工作方式进行工作来稳定输出电压U_o。

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，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件；③分压电容C₁和C₂足够大。

当处于三电平工作模式时，每个开关周期存在4种工作模态。

1、开关模态1

开关管S₁、S₂和S₆开通，其它开关管关断，因此，二极管D₁和D₄导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性上升。此模态中，U_AB＝nU_in，其中，n是变压器的副原边匝数比，S₃承受的电压为3U_in/2，S₄和S₅承受的电压为U_in/2。

2、开关模态2

开关管S₂、S₅和S₆开通，其它开关管关断，因此，二极管D₁和D₄导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性下降。此模态中，U_AB＝nU_in/2，S₃承受的电压为U_in，S₁和S₄承受的电压为U_in/2。

3、开关模态3

开关管S₃、S₄和S₅开通，其它开关管关断，因此，二极管D₂和D₃导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性上升。此模态中，U_AB＝nU_in，S₂承受的电压为3U_in/2，S₁和S₆承受的电压为U_in/2。

4、开关模态4

开关管S₃、S₅和S₆开通，其它开关管关断，因此，二极管D₂和D₃导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性下降。此模态中，U_AB＝nU_in/2，S₂承受的电压为U_in，S₁和S₄承受的电压为U_in/2。

当处于两电平工作模式时，每个开关周期存在3种工作模态。

1、开关模态1

开关管S₂、S₅和S₆开通，其它开关管关断，因此，二极管D₁和D₄导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性上升。此模态中，U_AB＝nU_in/2，S₃承受的电压为U_in，S₁和S₄承受的电压为U_in/2。

2、开关模态2

所有开关管关断，因此，所有二极管导通，电感电流i_L线性下降。此模态中，U_AB＝0。

3、开关模态3

开关管S₃、S₅和S₆开通，其它开关管关断，因此，二极管D₂和D₃导通，其它二极管断开，电感电流i_L线性上升。此模态中，U_AB＝nU_in/2，S₂承受的电压为U_in，S₁和S₄承受的电压为U_in/2。