一种零电流复合式谐振三电平直流变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种零电流复合式谐振三电平直流变换器及其控制方法，变换器输入侧包括直流电源、两个输入电容、四个主开关管、两个辅开关管、一个谐振电感、一个谐振电容、两个钳位二极管和主辅两个变压器的原边；输出侧包括主辅两个变压器的副边和一个倍压整流电路。谐振电感和谐振电容分别与主辅变压器的原边串联。基于主变换器副边与原边匝比显著大于辅变压器副边与原边匝比，两个副管采用脉宽调制的控制策略，可实现辅变压器和两个辅管传输小部分的系统功率，而主变压器和四个主管传输剩余大部分系统功率。本发明专利技术能实现四个主管的零电流开通和关断，两个辅管的零电压零电流开通和零电压关断，具有开关损耗小、效率高、控制简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种零电流复合式谐振三电平直流变换器及其控制方法
本专利技术涉及一种变换器，具体涉及一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，适用于高压直流大功率场合，属于电力电子

技术介绍
随着环境污染问题的日益严峻，太阳能和风能为主流的新能源发电在近二十年里得到了长足的发展，并且新能源的端口电压和功率呈现明显的上升趋势。如EiriniGkoutioudi，PanagiotisBakas，AntoniosMarinopoulos，“ComparisonofPVsystemswithmaximumDCvoltage1000Vand1500V,”inProc.IEEEPVSC，2013,pp.2873–2878介绍了光伏电池板最大输出电压由1000V升高为1500V的带来成本和效率优势，而且目前市场上已经有1500V直流输出的光伏电池板了。另外，随着大规模新能源发电站的快速增长，中高压直流输电在长远距离的电能传输中的应用越来越普遍，而且输电规模也在逐年扩大。相比于传统的交流输电系统，中高压直流输电有着更低的线路损耗、更低的总成本以及更高的灵活性等显著优势。因此，DC/DC变换器作为中高压直流输电中的关键装置，已经有了大量的研究。如传统的零电压零电流全桥变换器能够实现超前桥臂的零电压开通和之后桥臂的零电流关断，但超前桥臂的关断电流较大会增加变换器的开关损耗，且开关管的电压应力均为输入电压。谐振式直流谐振变换器也能实现各种方式的软开关，但谐振式直流谐振变换器通常变频控制，导致在宽输出电压范围内，开关频率产生较大变化，使得开关管的损耗增加的同时磁性元件的设计难度也会上升，本领域的技术人员一直尝试新的方案，但是该问题一直没有得到妥善解决。
技术实现思路
本专利技术正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，该技术方案保证所有开关管电压应力为输入电压的一半的同时，能实现主开关管的零电流开通和关断，减小拓扑的开关损耗，也有利于降低磁性元件的设计。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述零电流复合式谐振三电平直流变换器包含直流电源Vin、输入电容、箝位电路、主变压器、谐振电感、第一开关桥臂、第二开关桥臂、谐振电容、辅变压器、第三开关桥臂、倍压整流电路，所述输入电容正向并联在直流电源Vin正负输出端；所述第一开关桥臂与第二开关桥臂正向串联，并且第一开关桥臂和第二开关桥臂正向并联在直流电源Vin正负输出端，主变压器的原边绕组和谐振电感串联，所述箝位电路的正负两端分别连于第二开关桥臂和第一开关桥臂上，所述第三开关桥臂的上下两端分别连于第一开关桥臂和第二开关桥臂上，谐振电容和辅变压器的原边绕组串联，主变压器的副边绕组和辅变压器的副边绕组同向串联后作为倍压整流电路的输入。该技术方案可以保证所有开关管的电压应力只为输入电压的一半，适用于电压和功率呈现上升趋势的大规模新能源发电场合。在主变换器副边与原边匝比显著大于辅变压器副边与原边匝比的基础上，可以通过辅变压器和辅开关管分流小部分系统功率，而主变压器和四个主开关管传输剩余的大部分系统功率。作为本专利技术的一种改进，所述输入电容由第一分压电容Cin1和第二分压电容Cin2串联组成，其中第一分压电容Cin1和第二分压电容Cin2正向并联在直流电源Vin正负输出端。作为本专利技术的一种改进，所述第一开关桥臂由第一开关管和第二开关管串联组成，所述第二开关桥臂由第三开关管和第四开关管串联组成，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管分别并联一个体二极管。作为本专利技术的一种改进，所述主变压器的原边绕组和谐振电感串联，该串联支路两端分别连于第一开关桥臂与第二开关桥臂的串联点A和输入电容的两个分压电容Cin1、Cin2的串联点B，且主变压器的原边绕组的同名端在靠近上述串联点A的那侧。作为本专利技术的一种改进，所述箝位电路由箝位二极管和箝位二极管正向串联组成,其中箝位二极管和箝位二极管串联点为串联点B，且该箝位电路的正负两端分别连于第二开关桥臂的第三开关管和第四开关管的串联点E和第一开关桥臂的第一开关管、和第二开关管的串联点D。作为本专利技术的一种改进，所述第三开关桥臂由第五开关管和第六开关管正向串联组成，第五开关管和第六开关管均并联一个体二极管和一个电容，且第三开关桥臂的上下两端分别连于上述的串联点D和串联点E。作为本专利技术的一种改进，所述谐振电容和辅变压器的原边绕组串联，该串联支路两端分别连于串联点A和第五开关管、第六开关管的串联点C，且辅变压器的原边绕组的同名端在靠近上述串联点A的那侧，主变压器的副边绕组和辅变压器的副边绕组同向串联后作为倍压整流电路的输入，主变压器的副边绕组的同名端和辅变压器的副边绕组的异名端分别为该输入的正和负。作为本专利技术的一种改进，所述主变压器的副边与原边匝比应显著大于辅变压器的副边与原边匝比。所述主变压器的副边与原边匝比、辅变压器的副边与原边匝比这两个匝比之间的比值应不小于8，以此保证主变压器传输的功率为总功率的90%以上。一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，所述零电流复合式谐振三电平直流变换器包含直流电源Vin、输入电容、箝位电路、主变压器、谐振电感、第一开关桥臂、第二开关桥臂、辅变压器、第三开关桥臂、倍压整流电路，所述输入电容正向并联在直流电源Vin正负输出端；所述第一开关桥臂与第二开关桥臂正向串联，并且第一开关桥臂和第二开关桥臂正向并联在直流电源Vin正负输出端，主变压器的原边绕组和谐振电感串联，所述箝位电路的正负两端分别连于第二开关桥臂和第一开关桥臂上，所述第三开关桥臂的上下两端分别连于第一开关桥臂和第二开关桥臂上，主变压器的副边绕组和辅变压器的副边绕组同向串联后作为倍压整流电路的输入。一种零电流复合式谐振三电平直流变换器的控制方法，其特征在于：该技术方案所述的控制方法采用脉宽调制方式，其实现可分两部分：四个主开关管的固定占空比运行和两个辅开关管的脉宽调制控制，所述第一至第四开关管为四个主开关管，其占空比均恒为0.5，其中，所述第一开关管和第二开关管驱动波形完全一样，所述第三开关管和第四开关管驱动波形完全一样，且所述第一开关管的驱动与第三开关管的驱动互补，所述第五和第六开关管为两个辅开关管，其占空比始终相等但是可调的，其中，所述第六开关管的开通起点与第一开关管的开通起点相同，所述第五开关管（Q5）的开通起点与第三开关管的开通起点相同。所述第五和第六开关管的占空比调节过程为：首先采样本专利技术的输出电压，然后与参考电压做差，该差值依次通过一个PI调节器和一个限幅器即可得到所述两个辅开关管的占空比。该占空比会随着负载和参考电压的变化而变化，从而实现对本专利技术的控制。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点，1）该技术方案可以保证所有开关管的电压应力只为输入电压的一半，适用于电压和功率呈现上升趋势的大规模新能源发电场合；2）该技术方案中，四个主开关管是固定占空比运行无需控制，只需通过采样输出电压进行PI调节获取两个副开关管的占空比即可使本专利技术达稳态，控制方法简单易实现，同时也有利于降低传统变频谐振变换器中磁性元件的设计难度；3）通过设计主变换器副边与原边匝比显著大于辅变压器副边与原边匝比，可实现辅变压器和辅开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述零电流复合式谐振三电平直流变换器包含直流电源Vin、输入电容（1）、箝位电路（2）、主变压器（3）、谐振电感（4）、第一开关桥臂（5）、第二开关桥臂（6）、谐振电容（7）、辅变压器（8）、第三开关桥臂（9）、倍压整流电路（10），所述输入电容（1）正向并联在直流电源Vin正负输出端；所述第一开关桥臂（5）与第二开关桥臂（6）正向串联，并且第一开关桥臂（5）和第二开关桥臂（6）正向并联在直流电源Vin正负输出端，主变压器（3）的原边绕组和谐振电感（4）串联，所述箝位电路（2）的正负两端分别连于第二开关桥臂（6）和第一开关桥臂（5）上，所述第三开关桥臂（9）的上下两端分别连于第一开关桥臂（5）和第二开关桥臂（6）上，谐振电容（7）和辅变压器（8）的原边绕组串联，主变压器（3）的副边绕组和辅变压器（8）的副边绕组同向串联后作为倍压整流电路（10）的输入。

【技术特征摘要】
1.一种零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述零电流复合式谐振三电平直流变换器包含直流电源Vin、输入电容（1）、箝位电路（2）、主变压器（3）、谐振电感（4）、第一开关桥臂（5）、第二开关桥臂（6）、谐振电容（7）、辅变压器（8）、第三开关桥臂（9）、倍压整流电路（10），所述输入电容（1）正向并联在直流电源Vin正负输出端；所述第一开关桥臂（5）与第二开关桥臂（6）正向串联，并且第一开关桥臂（5）和第二开关桥臂（6）正向并联在直流电源Vin正负输出端，主变压器（3）的原边绕组和谐振电感（4）串联，所述箝位电路（2）的正负两端分别连于第二开关桥臂（6）和第一开关桥臂（5）上，所述第三开关桥臂（9）的上下两端分别连于第一开关桥臂（5）和第二开关桥臂（6）上，谐振电容（7）和辅变压器（8）的原边绕组串联，主变压器（3）的副边绕组和辅变压器（8）的副边绕组同向串联后作为倍压整流电路（10）的输入。2.根据权利要求1所述的零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述输入电容（1）由第一分压电容Cin1和第二分压电容Cin2串联组成，其中第一分压电容Cin1和第二分压电容Cin2正向并联在直流电源Vin正负输出端。3.根据权利要求2所述的零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述第一开关桥臂（5）由第一开关管（Q1）和第二开关管（Q2）串联组成，所述第二开关桥臂（6）由第三开关管（Q3）和第四开关管（Q4）串联组成，所述第一开关管（Q1）、第二开关管（Q2）、第三开关管（Q3）、第四开关管（Q4）分别并联一个体二极管。4.根据权利要求2或3所述的零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述主变压器（3）的原边绕组和谐振电感（4）串联，该串联支路两端分别连于第一开关桥臂(5)与第二开关桥臂(6)的串联点(A)和输入电容（1）的两个分压电容(Cin1、Cin2)的串联点(B)，且主变压器（3）的原边绕组的同名端在靠近上述串联点（A）的那侧。5.根据权利要求4所述的零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述箝位电路(2)由箝位二极管(Dc1）和箝位二极管（Dc2)正向串联组成,其中箝位二极管(Dc1）和箝位二极管（Dc2)串联点为串联点(B)，且该箝位电路（2）的正负两端分别连于第二开关桥臂(6)的第三开关管（Q3）和第四开关管（Q4）的串联点(E)和第一开关桥臂(5)的第一开关管（Q1）、和第二开关管（Q2）的串联点(D)。6.根据权利要求5所述的零电流复合式谐振三电平直流变换器，其特征在于，所述第三开关桥臂（9）由第五开关管（Q5）和第六开关管（Q6）正向串联组成，第五开关管（Q5）和第六开关管（Q6）均并联一个体二极管和一个电容，且第三开关桥臂（9）的上下两端分别连于上述的串联点(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈武，宁光富，舒良才，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32