应用在DAB结构中的ANPC有源桥的调制方法及系统与流程

本发明涉及实体搜索领域，更具体地，涉及一种应用在双有源桥型(dualactivebridge，dab)dc/dc变换器结构中的有源中点钳位型(activeneutralpointclamped，anpc)有源桥的调制方法及系统。

背景技术：

具有电流隔离和双向传输功率能力的dc/dc变换器能够实现不同电压等级电网间的功率传输和电压变送。双有源桥型(dualactivebridge，dab)dc/dc变换器具有电气隔离、功率密度高、能量可以双向流动、和软开关易于实现等优点，已在可再生能源、电动汽车、储能系统和直流配电等领域得到了广泛的研究和应用。常见的dab拓扑为双h桥dab，其中开关器件承受的电压应力为直流母线电压。由于全控型功率器件的耐压等级远小于中高压直流电网的电压等级，因此为满足高压大功率的dc/dc变换需求，提高单模块dab的电压等级能够有效降低中高压电网接口整体系统中所需要的变压器数量，从而降低整体系统的成本、提高功率密度和可靠性，对各电压等级的直流配电系统都十分重要。

采用多电平电路拓扑可以利用较低电压等级的开关器件实现较高直流电压等级的变换电路，适用于直流母线电压高的应用场合。在多电平拓扑中，以三电平拓扑的应用最为广泛。相比于两电平电路，三电平电路拓扑具有功率器件电压应力低、电压变化率dv/dt小、等效开关频率高等优点。在dc/dc领域中，基于三电平变换电路拓扑的dab研究较少。目前在dab中采用的三电平电路主要有4种，分别是：飞跨电容型(flyingcapacitor，fc)三电平、t型(t-type)三电平、二极管中点钳位型(diodeneutralpointclamped，dnpc)三电平、和二极管和电容混合箝位型的混合式npc。其中，dnpc的器件电压应力小，电路的整体成本较低，开关损耗较小。

但是，dnpc部分开关管需要选择耐压等级更高的器件，其开关损耗和通态损耗都会相应增加。考虑到高耐压等级器件的成本更高，anpc和dnpc间的成本差距较小。因此，基于anpc电路可以利用较低耐压等级、性能较好的开关器件构建高直流母线电压的dab。同时，在dab中，有源桥输出不同电平时输出电流及作用时间必然不相同，因此，电路存在着功率器件损耗分布不均衡的问题。功率器件损耗的分布越不均衡，相同输出功率下的电路成本越高。由于dnpc电路没有冗余开关状态，因此，其功率器件损耗不均衡的问题无法改善，而anpc电路具有大量的冗余开关状态，通过调制方法和控制算法的设计能够均衡开关器件的损耗分布，提高电路的性价比。因此，相比于基于dnpc的dab，基于anpc的dab通过设计相应的调制方法和控制算法能够调节dab的功率器件损耗分布，实现更高的功率密度、降低成本。

需要注意的是，ac/dc变换领域中电路的pwm输出电压的频率远高于基波频率，而anpc-dab中anpc的器件开关频率与pwm输出电压的频率相近。因此，ac/dc领域的anpc调制优化方法不适用于anpc-dab。同时，为保证有效的电压箝位，anpc电路输出正电平和负电平时必须将相应的钳位开关管开通。因此，完成anpc-dab中半周期开关状态切换(正电平→零电平→负电平)必须至少开关6次开关管，若不加以优化设计必然会导致大量的开关损耗，降低电路效率。同时，为了保证基于anpc的dab的稳定高效运行，需要保证6个有源开关器件承受相同的耐压；并且由于anpc的输出电平在其三种电平(正电平“+1”、零电平“0”、负电平“-1”)间的切换序列为“+1”→“0”→“-1”→“0”→“+1”，因此传统的用于逆变功能的anpc中实现软开关的调制方法并不适用。anpc-dab中开关器件数目多，开关次数大。如不能利用调制方法扩大软开关范围，会导致开关损耗大、系统效率低。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，例如anpc应用于dab时的特殊问题，本发明的目的在于解决现有ac/dc领域anpc调制方法直接应用于基于anpc电路的dab时硬开关多，效率低的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种应用在双有源桥型dc/dc变换器(dab)结构中的有源中点钳位型anpc有源桥的调制方法，所述anpc有源桥应用于dab拓扑中的至少一侧，包括以下步骤：

通过控制anpc有源桥所包含开关管的开通和关断时序，使得anpc有源桥输出电平在正电平、零电平和负电平之间循环切换。

当anpc有源桥的输出在正电平、零电平和负电平之间循环切换时，控制距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比anpc有源桥其他开关管的通态损耗高。

可选地，所述anpc有源桥为半桥电路时，所述anpc有源桥包括直流第一分压电容、直流第二分压电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及第六开关管；

所述第一开关管的一端连接第一分压电容的正极，所述第一开关管的另一端连接第二开关管的一端，所述第二开关管的另一端连接第三开关管的一端，所述第三开关管的另一端连接第四开关管的一端，所述第四开关管的另一端连接第二分压电容的负极，所述第二分压电容的正极端与所述第一分压电容的负极端连接于第一端点；所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端相连接且共接于所述第一端点，所述第五开关管的一端连接第一开关管的另一端，所述第六开关管的另一端连接第三开关管的另一端；所述第二开关管的另一端与第三开关管的一端的连接点为anpc有源桥的输出端，所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端的连接点为anpc有源桥的直流中线端点；所述anpc有源桥的输出端和直流中线端点间的电压为anpc有源桥的输出电压；所述第一分压电容用于提供正电平，所述第二分压电容用于提供负电平；

所述开关管可为igbt、mosfet等任意全控开关器件。当开关管为igbt时，该开关管的一端为集电极，另一端发射极。当开关管为mosfet的该开关管的一端为源极，另一端为漏极。

所述anpc有源桥的直流输入电源可以为两端口的单一直流电源，也可以是三端口的正负直流电源，采用两端口的单一直流电源时，其正极与第一分压电容的正极相连，其负极与第二分压电容的负极相连；采用三端口的正负直流电源时，其正极与第一分压电容的正极相连，其负极与第二分压电容的负极相连，其中点与第一端点相连；

当anpc有源桥输出正电平时，所述第一开关管、第二开关管和第六开关管导通；当anpc有源桥输出零电平时，所述第二开关管、第三开关管、第五开关管和第六开关管导通；当anpc有源桥输出负电平时，所述第三开关管、第四开关管和第五开关管导通；所述距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管为第二开关管和第三开关管；

当anpc有源桥的正电平切换为零电平时，先关断第一开关管，接着开通第五开关管，再开通第三开关管；

当anpc有源桥的零电平切换为负电平时，先关断第二开关管，再关断第六开关管，接着开通第四开关管。

可选地，所述方法还包括如下步骤：

当anpc有源桥的负电平切换为零电平时，先关断第四开关管，接着开通第六开关管，再开通第二开关管；

当anpc有源桥的零电平切换为正电平时，先关断第三开关管，再关断第五开关管，接着开通第一开关管。

可选地，该调制方法以同时导通两个电流支路的零电平开关状态作为输出零电平的开关状态；其中，两个电流支路指的是第二开关管和第五开关管组成的支路以及第三开关管和第六开关管组成的支路。

可选地，所述第二开关管和第三开关管在输出零电平、正电平或负电平时都产生通态损耗；

所述第一开关管和第四开关管在输出非零电平时产生通态损耗；

所述第五开关管和第六开关管在输出零电平时产生通态损耗；

所述第二开关管和第三开关管均在零电压下开通或者关断。

可选地，所述anpc有源桥还可以是全桥电路，所述开关管可以是igbt、mosfet等其它全控型开关器件。

第二方面，本发明提供一种应用在dab结构中的有源中点钳位型anpc有源桥的调制系统，所述anpc有源桥应用于dab拓扑中的至少一侧，包括：

控制单元，通过控制anpc有源桥所包含开关管的开通和关断时序，使得anpc有源桥输出电平在正电平、零电平和负电平之间循环切换；当anpc有源桥的输出在正电平、零电平和负电平之间循环切换时，控制距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比anpc有源桥其他开关管的通态损耗高。

可选地，所述anpc有源桥为半桥电路时，所述anpc有源桥包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及第六开关管；所述第一开关管的一端连接第一电源的正极，所述第一开关管的另一端连接第二开关管的一端，所述第二开关管的另一端连接第三开关管的一端，所述第三开关管的另一端连接第四开关管的一端，所述第四开关管的另一端连接第二电源的负极，所述第二电源的正极端与所述第一电源的负极端连接于第一端点；所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端相连接且共接于所述第一端点，所述第五开关管的一端连接第一开关管的另一端，所述第六开关管的另一端连接第三开关管的另一端；所述第二开关管的另一端与第三开关管的一端的连接点为anpc有源桥的输出端，所述第五开关管的另一端和第六开关管的一端的连接点为anpc有源桥的直流中线端点；所述anpc有源桥的输出端和直流中线端点间的电压为anpc有源桥的输出电压；所述第一电源用于提供正电平，所述第二电源用于提供负电平；

当anpc有源桥输出正电平时，所述控制单元控制所述第一开关管、第二开关管和第六开关管导通；

当anpc有源桥输出零电平时，所述控制单元控制所述第二开关管、第三开关管、第五开关管和第六开关管导通；

当anpc有源桥输出负电平时，所述控制单元控制所述第三开关管、第四开关管和第五开关管导通；所述距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管为第二开关管和第三开关管；

当anpc有源桥的正电平切换为零电平时，所述控制单元先控制第一开关管关断，接着控制第五开关管开通，再控制第三开关管开通；

当anpc有源桥的零电平切换为负电平时，所述控制单元先控制第二开关管关断，再控制第六开关管关断，接着控制第四开关管开通。

可选地，当anpc有源桥的负电平切换为零电平时，所述控制单元先控制第四开关管关断，接着控制第六开关管开通，再控制第二开关管开通；

当anpc有源桥的零电平切换为正电平时，所述控制单元先控制第三开关管关断，再控制第五开关管关断，接着控制第一开关管开通。

可选地，所述第二开关管和第三开关管在输出零电平和非零电平时都产生通态损耗；所述第一开关管和第四开关管在输出非零电平时产生通态损耗；所述第五开关管和第六开关管在输出零电平时产生通态损耗；所述控制单元控制所述第二开关管和第三开关管均在零电压下开通或者关断。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的应用在dab结构中的有源中点钳位型anpc有源桥的调制方法及系统，利用anpc中相互冗余的两条零状态支路(分别由第二开关管、第五开关管和第三开关管、第六开关管构成)，采用两条零状态支路并联工作的零状态作为调制方法的主要零状态，及选用相应的单支路零状态作为中间零状态，可以保证至少两个开关管始终工作于零电压开关状态下，从而提高了变换器的效率；本发明采用anpc的双电流支路并联工作的零状态作为调制方法的主要零状态，利用两条电流支路的并联运行，可以降低anpc电路输出零状态时的通态损耗，从而进一步提高变换器效率。

本发明提供的应用在dab结构中的有源中点钳位型anpc有源桥的调制方法及系统，使得anpc电路中全部硬开关损耗分散于4个开关管，并且使通态损耗最高的两个开关管上不产生硬开关损耗，能够有效改善系统的功率器件损耗分布，降低系统成本；利用dab的多重调制控制策略，可以进一步使电路中的距离桥臂输出较远的部分器件工作于零电压开通的软开关状态下，有效地提高变换器的效率。本发明可以极好地适配基于anpc三电平电路的dab，有效地提高变换器的效率。

附图说明

图1为本发明提供的应用在dab结构中的anpc有源桥的调制方法流程图；

图2为本发明提供的调制方法在双半桥anpc-dab的应用结构示意图；

图3为本发明采用的单一桥臂anpc三电平电路拓扑；

图4(a)为本发明实施例中状态p对应的anpc开关状态的等效电路；

图4(b)为本发明实施例中状态n对应的anpc开关状态的等效电路；

图4(c)为本发明实施例中状态o对应的anpc开关状态的等效电路；

图4(d)为本发明实施例中状态l对应的anpc开关状态的等效电路；

图4(e)为本发明实施例中状态u对应的anpc开关状态的等效电路；

图5为本发明实施例提供的单开关周期内输出的电压波形、开关状态和驱动信号波形；

图6(a)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态p换流过程中状态o的等效电路；

图6(b)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态p换流过程中状态u的等效电路；

图6(c)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态p换流过程中死区时间的等效电路；

图6(d)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态p换流过程中状态p的等效电路；

图7(a)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态n换流过程中状态o的等效电路；

图7(b)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态n换流过程中状态l的等效电路；

图7(c)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态n换流过程中死区区间的等效电路；

图7(d)为本发明实施例提供的i>0时，状态o切换为状态n换流过程中状态n的等效电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种基于anpc双电流支路的高效率anpc-dab调制方法，能够应用于任何包含anpc电路的dab中，包括但不限于双半桥anpc电路的dab、双全桥anpc电路的dab、半桥anpc-h桥的dab、全桥anpc-h桥的dab。

具体地，本发明提供了一种基于anpc双电流支路的高效率anpc-dab调制方法，该调制方法通过充分有效利用anpc电路拓扑的特性，发挥其多种冗余零状态带来的高控制自由度，配合dab移相调制方法，能够最大化dab的软开关范围、降低整体开关损耗，均衡功率器件损耗分布。

图1为本发明提供的应用在dab结构中的anpc有源桥的调制方法流程图，anpc有源桥应用于dab拓扑中的至少一侧，如图1所示，包括如下步骤：

s101，通过控制anpc有源桥所包含开关管的开通和关断时序，使得anpc有源桥输出电平在正电平、零电平和负电平之间循环切换；

s102，当anpc有源桥的输出在正电平、零电平和负电平之间循环切换时，控制距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开关状态切换，以使得距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比anpc有源桥其他开关管的通态损耗高。

在本发明一种基于anpc双电流支路的高效率anpc-dab调制方法中，对dab中的任意半桥anpc三电平电路采用5种开关状态，其中包括2种非零电平开关状态、一种双电流支路零电平状态和两种中间零电平状态。

以双半桥anpc的dab为例，本发明在该电路中的应用结构如图2所示。所提出的一种基于anpc双电流支路的高效率anpc-dab调制方法根据多重调制方法控制下dab中任意单相半桥anpc电路的输出电平给出相应单一桥臂anpc电路中6个开关管的驱动信号。以下附图中以开关管为igbt管进行示例说明，本领域技术人员可以理解的是，开关管不限于igbt，还可以采用其他全控型开关器件。

单一桥臂anpc电路拓扑结构如图3所示，本发明采用如表1所示5种开关状态来实现所提出的基于anpc电路的dab高效率调制方法，其中，“1”表示开通，而“0”代表关断。开关过程中，以状态p、n和o分别为输出正电平、负电平、零电平时的主开关状态，其等效电路如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。而如图4(d)和图4(e)所示状态l和u为中间零状态，只用于过渡开关状态。

表1用于dab的anpc三电平电路的开关状态

在anpc-dab中，单个anpc桥臂的开关状态切换序列为p->u->o->l->n->l->o->u->p，对应输出的电压波形和调制波形如图5所示。其中，图5中g1-g6分别表示q1-q6的驱动信号，vac表示anpc桥臂输出的交流电压，δt表示中间零状态l或u的持续时间，d表示anpc桥臂输出非零电平的时间占整个开关周期的占空比，ts表示anpc的开关周期。

1.零状态间的切换

如图3所示，q2、q3、q5和q6均可用于输出零电平。开关状态为o时，这4个开关管均导通，而开关状态为u和l时，开通其中3个开关管。因此，在开关状态l和u时，关断的q2或q3两端的电压始终为0，不受电流方向的影响。因此，状态o和状态u、l间的切换过程始终为零电压开关。

2.零状态和非零状态间的切换

以某一桥臂输出电流i>0为例，对开关切换中的换流过程进行分析如下。

a)o-p

状态o到状态u的切换过程中，q3为零电压关断。当状态从u切换到p时，需要先关断q5，如图6(a)-图6(d)所示。此时，由于i>0，电流仍然流经q2、d5，因此q5的关断就是零电压关断。一定的死区时间之后，开通q1，q1上将产生开通损耗，d5上产生反向恢复损耗。

b)p-o

开关状态为p时，q1、q2导通。要将开关状态转换为u时，首先要关断q1。由于i>0，电流会经过q2、d5以及q6、d3续流。经过一定的死区时间，开通q5，由于d5已经导通，所以q5的开通过程为零电压开通。因此，开关状态从p切换到u时，只在q1上产生硬关断损耗。开关状态u持续一定时间后，切换为状态o，零电压开通q3。

c)o-n

如图7(a)-图7(d)所示，开关状态从o切换为l时，首先零电压关断q2。i>0时，电流流经q6、d3。将开关状态切换为n，需要先关断q6，此时q6为硬关断，电流经d3、d4续流。经过死区时间后，q4开通，由于d4已经开通，因此，q4为零电压开通。

d)n-o

开关状态为n、i>0时，电流流经d3、d4。要将开关状态切换为l需要关断q4，为零电压关断。一定的死区时间后，开通q6，此时q6为硬开通，并且在d4上产生反向恢复损耗。此时，电路开关状态切换为l，输出零电平。状态l切换为状态o需要零电压开通q2。

同样地，对i<0时的开关切换状态进行了分析，表2和表3分别给出了i>0和i<0时，状态切换过程中开关损耗的分布情况。可见在全部开关过程中，无论电流方向如何，q2、q3没有硬开关动作。由于电路特性，q1、q4只在输出非零状态时产生通态损耗，而q5、q6只在输出零状态时产生通态损耗，只有q2和q3在输出零状态或非零状态时都会产生通态损耗。因此，本发明提供的调制方法可以将全部开关损耗集中在q1、q4、q5和q6上，能够有效改善电路的功率器件损耗分布。

表2i>0时状态切换过程中开关损耗的分布

表3i<0时状态切换过程中开关损耗的分布

其中，zvs表示对应开关管在零电压下开通或关断，不会产生开关损耗，硬开通或者硬关断表示对应开关管在开关过程中产生开关损耗，i表示对应二极管发生反向恢复过程时anpc电路的交流输出电流。基于表2和表3，可得，只要dab的多重调制控制能够保证相应的anpc电路在状态切换时满足如下条件，就可以实现全部开关器件的零电压软开通，有效提高变换器效率。

表4零电压软开通条件

本发明一种基于anpc双电流支路的高效率anpc-dab调制方法，通过合理选用开关状态，保证了采用anpc电路的dab中单桥臂最小的硬开关次数，并且具有较好的功率损耗分布性能，于此同时，配合dab的多重移相调制能够实现全部器件的零电压开通，进一步降低系统损耗，提高系统效率，降低成本。

相应地，本发明提供一种应用在dab结构中的有源中点钳位型anpc有源桥的调制系统，anpc有源桥应用于dab拓扑中的至少一侧，该系统包括：

控制单元，通过控制anpc有源桥所包含开关管的开通和关断时序，使得anpc有源桥输出电平在正电平、零电平和负电平之间循环切换；当anpc有源桥的输出在正电平、零电平和负电平之间循环切换时，控制距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管均在没有承受电压的情况下进行开通或者关断切换，以使得距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的开关损耗为零，从而降低距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的总损耗，所述总损耗包括开关损耗和通态损耗；其中，距离anpc有源桥输出端最近的两个开关管的通态损耗相比anpc有源桥其他开关管的通态损耗高。

其中，控制单元的具体细化控制步骤可参见前述方法实施例，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。