專利名稱：一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子功率變換技術領域，涉及直流電源變換系統中的功率變換裝置，特別涉及一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法。
背景技術：
隨著對可再生能源的不斷開發(fā)利用，所產生的電能需要通過合理的方式進行傳輸或存儲，比如光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電技術中，電能產生端發(fā)出的直流電可以通過直流變換器，得到較為穩(wěn)定的直流母線電壓，一方面可以通過逆變器將直流電轉換成交流電，為交流負載供電；另一方面，也可以直接或再次通過直流變換器為直流負載供電。為了將多余的能量進行存儲，以及在光照或燃料不足的情況下，儲能單元能為負載提供不足部分的能量， 需要將存儲的能量釋放到直流母線端。要實現這個功能，目前最好的能量轉換方式是通過雙向直流變換器來完成。
對于存儲電能的蓄電池或超級電容來說，為了得到更高的容積效率，一般電壓等級比較低；對于傳輸電能的直流母線來說，為了提高電能傳輸效率，需要提高電壓等級。這樣，就會出現儲能端的電壓等級與直流母線端的電壓等級差異很大，即雙向變換器需要提供很大的電壓變換比，并且較高的直流母線電壓對功率開關的耐壓等級提出了更高的要求。所帶來的問題是，雙向直流變換器需要通過變壓器來解決電壓的大變換比問題，否則， 直流變換器將出現極端占空比問題，功率開關難以響應極端窄的脈沖驅動信號。另外，功率開關耐壓等級的提高，意味著通態(tài)壓降和導通電阻的升高、功率開關的上限開關頻率下降。
發(fā)明人在實現本發(fā)明的過程中，發(fā)現現有技術中至少存在以下的缺點和不足
傳統的兩電平雙向直流變換器在高壓變換場合存在功率開關電壓應力大、開關損耗大、濾波器體積大以及dv/dt高等突出問題，現有的三電平雙向直流變換器解決了上述問題，但是在特殊的大變換比場合，功率開關將難以響應極窄的脈沖驅動信號、功率開關極易出現極端占空比的問題。發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法，該方案解決了具有傳統三電平雙向直流變換器特性的同時使得在大變換比的情況下功率開關響應極窄的脈沖驅動信號，避免了功率開關工作在極端占空比狀態(tài)，詳見下文描述
—種三電平雙向直流變換器，所述三電平雙向直流變換器包括低壓直流側濾波電容、高壓直流側第一濾波電容、高壓直流側第二濾波電容、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第五續(xù)流二極管、第六續(xù)流二極管、第七續(xù)流二極管、第八續(xù)流二極管、第一箝位二極管、第二箝位二極管、第三箝位二極管、第四箝位二極管、第一可控功率開關、第二可控功率開關、第三可控功率開關、第四可控功率開關、第五可控功率開關、第六可控功率開關、第七可控功率開關、第八可控功率開關、高壓直流側母線電壓、低壓直流側母線電壓和儲能電感，
所述三電平雙向直流變換器由2個半橋構成，所述低壓直流側母線電壓的正極性端分別與所述儲能電感的一端和所述低壓直流側濾波電容的一端相連，所述低壓直流側母線電壓的負極性端分別與所述低壓直流側濾波電容的另一端和右半橋的中點相連；所述儲能電感的另一端連接左半橋的中點，所述左半橋的中點分別與所述第二續(xù)流二極管的陽極、所述第二可控功率開關的發(fā)射極、所述第三可控功率開關的集電極和所述第三續(xù)流二極管的陰極相連；所述第二續(xù)流二極管的陰極分別與所述第二可控功率開關的集電極、所述第一可控功率開關的發(fā)射極、所述第一續(xù)流二極管的陽極和所述第一箝位二極管的陰極相連；所述第一續(xù)流二極管的陰極分別與所述第一可控功率開關的集電極、所述第五可控功率開關的集電極、所述第五續(xù)流二極管的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容的一端和所述高壓直流側母線電壓的正極性端相連；所述第三續(xù)流二極管的陽極分別與所述第三可控功率開關的發(fā)射極、所述第四可控功率開關的集電極、所述第四續(xù)流二極管的陰極和所述第二箝位二極管的陽極相連；所述第二箝位二極管的陰極分別與所述第一箝位二極管的陽極、所述第三箝位二極管的陽極、所述第四箝位二極管的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容的另一端和所述高壓直流側第二濾波電容的一端相連；所述第四續(xù)流二極管的陽極分別與所述第四可控功率開關的發(fā)射極、所述第八可控功率開關的發(fā)射極、所述第八續(xù)流二極管的陽極、所述高壓直流側第二濾波電容的另一端和所述高壓直流側母線電壓的負極性端相連；所述第五續(xù)流二極管的陽極分別與所述第五可控功率開關的發(fā)射極、所述第三箝位二極管的陰極、所述第六可控功率開關的集電極和所述第六續(xù)流二極管的陰極相連；所述第四箝位二極管的陽極分別與所述第七可控功率開關的發(fā)射極、所述第八可控功率開關的集電極、所述第七續(xù)流二極管的陽極和所述第八續(xù)流二極管的陰極相連；所述第七續(xù)流二極管的陰極、所述第七可控功率開關的集電極、所述第六可控功率開關的發(fā)射極和所述第六續(xù)流二極管的陽極同時連接所述右半橋的中點。
所述第一可控功率開關、所述第二可控功率開關、所述第三可控功率開關、所述第四可控功率開關、所述第五可控功率開關、所述第六可控功率開關、所述第七可控功率開關和所述第八可控功率開關具體為低耐壓的可控功率開關。
一種三電平雙向直流變換器的脈沖寬度控制方法，所述方法包括以下步驟
(1)所述三電平雙向直流變換器工作在Buck模式時，根據第一脈沖寬度調制規(guī)則對雙調制波va、Vb與相移180度的三角載波V。a iCTl、V。a iCT2進行脈沖寬度調制；
所述第一脈沖寬度調制規(guī)則具體為^b >^1' S1=O
Γ > V— g2!，調制度 ma > mb > 0. 5 ；'"a ^ ^carrierl'^bS8=O
獲取所述三電平雙向直流變換器工作在所述Buck模式時，高壓直流側電壓與低壓直流側電壓的關系為
Ulow = (ma-mb) XUhigh
所述第一可控功率開關、所述第二可控功率開關、所述第七可控功率開關和所述第八可控功率開關的占空比為
權利要求
1.一種三電平雙向直流變換器，其特征在于，所述三電平雙向直流變換器包括低壓直流側濾波電容(Cfl)、高壓直流側第一濾波電容(Cf2)、高壓直流側第二濾波電容(Cf3)、第一續(xù)流二極管(D1)、第二續(xù)流二極管(D2)、第三續(xù)流二極管(D3)、第四續(xù)流二極管(D4)、第五續(xù)流二極管(D5)、第六續(xù)流二極管(D6)、第七續(xù)流二極管(D7)、第八續(xù)流二極管(D8)、第一箝位二極管(DJ、第二箝位二極管(D。2)、第三箝位二極管(D。3)、第四箝位二極管(D。4)、第一可控功率開關(S)、第二可控功率開關(S2)、第三可控功率開關(S3)、第四可控功率開關 (S4)、第五可控功率開關(S5)、第六可控功率開關(S6)、第七可控功率開關(S7)、第八可控功率開關(S8)、高壓直流側母線電壓(Uhigh)、低壓直流側母線電壓(U1ot)和儲能電感(Lf)，所述三電平雙向直流變換器由2個半橋構成，所述低壓直流側母線電壓(U1ot)的正極性端分別與所述儲能電感(Lf)的一端和所述低壓直流側濾波電容(Cfl)的一端相連，所述低壓直流側母線電壓(Ulw)的負極性端分別與所述低壓直流側濾波電容(Cfl)的另一端和右半橋的中點(b)相連；所述儲能電感(Lf)的另一端連接左半橋的中點(a)，所述左半橋的中點(a)分別與所述第二續(xù)流二極管(D2)的陽極、所述第二可控功率開關(S2)的發(fā)射極、 所述第三可控功率開關(S3)的集電極和所述第三續(xù)流二極管(D3)的陰極相連；所述第二續(xù)流二極管(D2)的陰極分別與所述第二可控功率開關(S2)的集電極、所述第一可控功率開關(S1)的發(fā)射極、所述第一續(xù)流二極管(D1)的陽極和所述第一箝位二極管(Dca)的陰極相連；所述第一續(xù)流二極管(D1)的陰極分別與所述第一可控功率開關(S1)的集電極、所述第五可控功率開關(S5)的集電極、所述第五續(xù)流二極管(D5)的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容(Cf2)的一端和所述高壓直流側母線電壓(Igh)的正極性端相連；所述第三續(xù)流二極管(D3)的陽極分別與所述第三可控功率開關(S3)的發(fā)射極、所述第四可控功率開關(S4) 的集電極、所述第四續(xù)流二極管(D4)的陰極和所述第二箝位二極管(D。2)的陽極相連；所述第二箝位二極管Φ。2)的陰極分別與所述第一箝位二極管(Dca)的陽極、所述第三箝位二極管Φ。3)的陽極、所述第四箝位二極管(D。4)的陰極、所述高壓直流側第一濾波電容(Cf2)的另一端和所述高壓直流側第二濾波電容(Cf3)的一端相連；所述第四續(xù)流二極管(D4)的陽極分別與所述第四可控功率開關(S4)的發(fā)射極、所述第八可控功率開關(S8)的發(fā)射極、所述第八續(xù)流二極管(D8)的陽極、所述高壓直流側第二濾波電容(Cf3)的另一端和所述高壓直流側母線電壓(Uhigh)的負極性端相連；所述第五續(xù)流二極管(D5)的陽極分別與所述第五可控功率開關(S5)的發(fā)射極、所述第三箝位二極管(D。3)的陰極、所述第六可控功率開關 (S6)的集電極和所述第六續(xù)流二極管(D6)的陰極相連；所述第四箝位二極管(D。4)的陽極分別與所述第七可控功率開關(S7)的發(fā)射極、所述第八可控功率開關(S8)的集電極、所述第七續(xù)流二極管(D7)的陽極和所述第八續(xù)流二極管(D8)的陰極相連；所述第七續(xù)流二極管 (D7)的陰極、所述第七可控功率開關(S7)的集電極、所述第六可控功率開關( )的發(fā)射極和所述第六續(xù)流二極管(D6)的陽極同時連接所述右半橋的中點(b)。
2.根據權利要求1所述的一種三電平雙向直流變換器，其特征在于，所述第一可控功率開關(S)、所述第二可控功率開關(S2)、所述第三可控功率開關(S3)、所述第四可控功率開關(S4)、所述第五可控功率開關(S5)、所述第六可控功率開關(S6)、所述第七可控功率開關(S7)和所述第八可控功率開關(S8)具體為低耐壓的可控功率開關。
3.一種用于權利要求1所述的三電平雙向直流變換器的脈沖寬度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)所述三電平雙向直流變換器工作在Buck模式時，根據第一脈沖寬度調制規(guī)則對雙調制波Va、Vb與相移180度的三角載波V。a iCTl、V。a iCT2進行脈沖寬度調制；所述第一脈沖寬度調制規(guī)則具體為 ^b >^1' S1=O-TJv^ .二，調制度5;
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法，涉及電力電子功率變換技術領域，本發(fā)明的高壓直流側的第一濾波電容和第二濾波電容在脈沖寬度控制方法下，能在載波周期內實現自平衡控制，可有效減小電容電壓波動；功率器件的電壓應力可均為高壓直流側電壓的一半，兩個“半橋”輸出的脈寬電壓幅值為高壓直流側電壓的一半，即可減小濾波電感值和電容容量，并降低了dv/dt；相對于現有的三電平雙向直流變換器來說，本發(fā)明在實現高、低壓直流側之間大變換比的能量變換時，無需變壓器，并且避免功率開關工作在極端占空比狀態(tài)。
文檔編號H02M3/156GK102510215SQ201110365820
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權日2011年11月17日
發(fā)明者張云 申請人:天津大學