一種三電平大降壓直流變換器及其脈衝寬度調製方法

2023-08-02 03:05:06

專利名稱：一種三電平大降壓直流變換器及其脈衝寬度調製方法
技術領域：
本發明涉及電力 電子功率變換技術領域，涉及一種三電平大降壓直流變換器及其脈衝寬度調製方法。
背景技術：
直流功率變換技術是將恆定的或變化的直流電壓通過直流變換器，變換成直流負載所需的電壓。而負載所需的電壓，一般需要對輸入直流電壓進行降壓或升壓，在小功率領域，通常採用傳統的單個主功率開關的兩電平Buck和Boost直流變換器來進行電壓轉換。隨著直流負載功率等級的提高，以及輸入/輸出電壓較高，現有的功率開關面臨著耐壓等級和開關頻率之間的矛盾。對於降壓型Buck直流變換器，在直流輸入電壓等級較高的場合，單個主功率開關的耐壓等級不夠、或功率開關的開關頻率較低，難以完成高壓輸入/低壓輸出的大功率直流變換。多電平功率變換技術能夠很好地解決上述的問題，基於兩個主功率開關的三電平 Buck直流變換器使得主功率開關承受的電壓應力為輸入直流電壓的一半。但現有技術中的普通三電平Buck直流變換器在大比例降壓時，主功率開關的佔空比容易工作在極端狀態， 尤其直流變換器的主功率開關在高頻工作時，極端佔空比制約了普通三電平Buck直流變換器實現大比例降壓的大功率變換。

發明內容
為了避免主功率開關的佔空比處於極端狀態，實現直流變換器的大比例降壓的大功率變換，本發明提出了一種三電平大降壓直流變換器及其脈衝寬度調製方法，詳見下文描述一種三電平大降壓直流變換器，所述直流變換器輸入為高壓直流電壓，輸出為低壓直流電壓，並且輸入輸出的直流降壓比大於等於4，所述直流變換器由左右半橋組成，包括第一飛跨電容、第二飛跨電容、第一主功率開關、第二主功率開關、第三主功率開關、第四主功率開關、第一功率二極體、第二功率二極體、第三功率二極體、第四功率二極體、濾波電容、儲能電感和直流負載，其中，所述第一飛跨電容和所述第二飛跨電容等容量，輸入端的所述高壓直流電壓的正極性端分別與所述第一主功率開關的集電極和所述第三功率二極體的陰極相連；所述第一主功率開關的發射極分別與所述第二主功率開關的集電極和所述第一飛跨電容的一端相連，所述第二主功率開關的發射極和左半橋的中點相連；所述左半橋的中點分別與所述第一功率二極體的陰極和所述儲能電感的一端相連；所述第一功率二極體的陽極分別與所述第一飛跨電容的另一端和所述第二功率二極體的陰極相連；所述第二功率二極體的陽極分別與輸入端的所述高壓直流電壓的負極性端和所述第四主功率開關的發射極相連；所述左半橋的中點為正極性端；所述儲能電感的另一端分別與所述濾波電容的一端和所述直流負載的一端相連；所述濾波電容的另一端和所述直流負載的另一端分別與右半橋的中點相連；所述右半橋的中點分別與所述第四功率二極體的陽極和所述第三主功率開關的集電極相連；所述第四功率二極體的陰極分別與所述第三功率二極體的陽極和所述第二飛跨電容的一端相連；所述第三主功率開關的發射極分別與所述第四主功率開關的集電極和所述第二飛跨電容的另一端相連；所述右半橋的中點為負極性端。所述第一主功率開關、所述第二主功率開關、所述第三主功率開關和所述第四主功率開關為低耐壓的可控主功率開關。 一種三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，所述方法包括以下步驟(1)對第一主功率開關、第二主功率開關、第三主功率開關和第四主功率開關進行獨立控制，獲取佔空比與第一調製係數ma和第二調製係數mb的關係式，濾波電容輸出的低壓直流電壓和高壓直流電壓與第一調製係數1和第二調製係數mb的關係式；(2)在任一載波周期內，第一反向交錯載波和第二反向交錯載波交錯分布，根據所述第一調製係數ma和所述第二調製係數mb獲取脈衝寬度控制規則。所述佔空比與第一調製係數％和第二調製係數mb的關係式為
權利要求
1.一種三電平大降壓直流變換器，其特徵在於，所述直流變換器輸入為高壓直流電壓 (Uin)，輸出為低壓直流電壓(U。)，並且輸入輸出的直流降壓比大於等於4，所述直流變換器由左右半橋組成，包括第一飛跨電容(C1)、第二飛跨電容(C2)、第一主功率開關(S1)、第二主功率開關(S2)、第三主功率開關(S3)、第四主功率開關(S4)、第一功率二極體(D1)、第二功率二極體(D2)、第三功率二極體(D3)、第四功率二極體(D4)、濾波電容(Cf)、儲能電感(Lf) 和直流負載(R)，其中，所述第一飛跨電容(C1)和所述第二飛跨電容(C2)等容量，輸入端的所述高壓直流電壓(Uin)的正極性端分別與所述第一主功率開關(S1)的集電極和所述第三功率二極體(D3)的陰極相連；所述第一主功率開關(S1)的發射極分別與所述第二主功率開關(S2)的集電極和所述第一飛跨電容(C1)的一端相連，所述第二主功率開關 (S2)的發射極和左半橋的中點(a)相連；所述左半橋的中點(a)分別與所述第一功率二極體(D1)的陰極和所述儲能電感(Lf)的一端相連；所述第一功率二極體(D1)的陽極分別與所述第一飛跨電容(C1)的另一端和所述第二功率二極體(D2)的陰極相連；所述第二功率二極體(D2)的陽極分別與輸入端的所述高壓直流電壓(Uin)的負極性端和所述第四主功率開關(S4)的發射極相連；所述左半橋的中點(a)為正極性端；所述儲能電感(Lf)的另一端分別與所述濾波電容(Cf)的一端和所述直流負載(R)的一端相連；所述濾波電容(Cf)的另一端和所述直流負載(R)的另一端分別與右半橋的中點(b)相連；所述右半橋的中點(b)分別與所述第四功率二極體(D4)的陽極和所述第三主功率開關(S3)的集電極相連；所述第四功率二極體(D4)的陰極分別與所述第三功率二極體(D3)的陽極和所述第二飛跨電容(C2) 的一端相連；所述第三主功率開關(S3)的發射極分別與所述第四主功率開關(S4)的集電極和所述第二飛跨電容(C2)的另一端相連；所述右半橋的中點(b)為負極性端。
2.根據權利要求1所述的一種三電平大降壓直流變換器，其特徵在於，所述第一主功率開關(S)、所述第二主功率開關(S2)、所述第三主功率開關(S3)和所述第四主功率開關 (S4)為低耐壓的可控主功率開關。
3.一種用於權利要求1或2所述的三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟(1)對第一主功率開關(S1)、第二主功率開關(S2)、第三主功率開關(S3)和第四主功率開關(S4)進行獨立控制，獲取佔空比與第一調製係數1和第二調製係數mb的關係式，濾波電容輸出的低壓直流電壓(U。)和高壓直流電壓(Uin)與第一調製係數隊和第二調製係數mb 的關係式；(2)在任一載波周期內，第一反向交錯載波和第二反向交錯載波交錯分布，根據所述第一調製係數ma和所述第二調製係數mb獲取脈衝寬度控制規則。
4.根據權利要求3所述的三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，其特徵在於，所述佔空比與第一調製係數&和第二調製係數mb的關係式為\d2 = ma[d3 = I-mb其中，d2、d3分別為所述第二主功率開關(S2)、所述第三主功率開關(S3)的佔空比。
5.根據權利要求3所述的三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，其特徵在於，所述濾波電容輸出的低壓直流電壓(U。)和高壓直流電壓(Uin)與第一調製係數隊和第二調製係數mb的關係式為U0 = UinX (ma-mb)。
6.根據權利要求3所述的三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，其特徵在於，所述脈衝寬度控制規則為
7.根據權利要求3所述的三電平大降壓直流變換器的脈衝寬度調製方法，其特徵在於，ma-mb > 0,且 mb > 0. 5。
全文摘要
本發明公開了一種三電平大降壓直流變換器及其脈衝寬度調製方法，涉及電力電子功率變換技術領域，本發明提供的直流變換器，各主功率開關承受的電壓應力為輸入的高壓直流電壓的一半，可以選用低耐壓、高開關頻率的主功率開關，有利於減小濾波器體積；採用左右半橋的結構，直流變換器輸出的PWM脈衝電壓為左右半橋輸出的直流三電平電壓之差，大比例降壓輸出時，可避免主功率開關工作在極端佔空比狀態；PWM控制方法在優化主功率開關佔空比的同時，能控制第一飛跨電容和第二飛跨電容的電壓平衡(為輸入的高壓直流電壓的一半)，保證直流變換器運行性能良好。
文檔編號H02M3/07GK102332818SQ201110269630
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月13日 優先權日2011年9月13日
發明者張雲 申請人:天津大學