一种三相三电平DAB变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种三相三电平DAB变换器，属于电力电子研究领域，变换器两侧结构对称，分别由三个飞跨电容桥臂组成，两侧经变压器连接，电气隔离，能够实现能量双向流动，这种桥臂结构，能够在同样的电压场景下应用耐压较低、性能较好，开关速度更快、导通损耗更小的开关管，三相结构适用于大功率工况，同等功率下，每相分担的电流更小；本发明专利技术通过对此变换器的建模和分析，设计提出调制策略。灵活的桥臂状态切换使变换器工作在宽范围调压状态时，效率更高，性能更好，实验证明了该拓扑和调制策略的有效性。有效性。有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种三相三电平DAB变换器


[0001]本专利技术属于电力电子研究领域，公开了一种三相三电平DAB拓扑，适用于宽范围调压应用场景。

技术介绍

[0002]近年来，新能源技术不断发展。新能源接入交流电网一般需要一个逆变装置将直流转化成交流。相较于交流电网，直流电网不需要逆变装置，更有利于新能源的接入。此外，直流电网不存在频率同步，无功功率等问题，具有更高的效率。
[0003]光伏、风电等新能源受外界环境的影响较为明显，具有较大的波动性，如果不加以控制，会影响电网安全稳定运行。直流电网中的储能装置能够在必要时吸收能量或者向电网回馈能量。电动汽车电池容量较大，而且闲置时接入电网的时间较长，是一种较好的储能装置。合理控制电动汽车和电网之间的能量互动有助于电网稳定运行。电动汽车动力电池在充电和放电过程中电压变化范围较大，需求一种能够在调压的情景下性能较好的变换器，实现电动汽车和直流电网之间的能量互动。
[0004]三电平桥臂结构能够让每个晶体管承受的电压更低，相较于两电平结构，能够在相同的电压等级下使用电压等级更低的晶体管。这种晶体管开关速度更快，导通电阻更小。并且三电平桥臂结构灵活的开关组合适合大范围调压的应用场景。
[0005]本文提出一种三相三电平DAB(Dual Active Bridge)变换器拓扑。适用于电动汽车和直流电网之间的能量交互。

技术实现思路

[0006]为了优化电动汽车和电网之间的能量交互，本专利技术设计了三相三电平DAB变换器拓扑。
[0007]本专利技术的内容包括：
[0008]提出一种三相三电平DAB变换器拓扑；
[0009]分析飞跨电容桥臂工作状态；
[0010]提出一种使电感电流有效值最小的调制策略
[0011]对所提出三相三电平DAB变换器进行实验，搭建样机，验证了所提拓扑结构的正确性和调制策略的正确性。
[0012]本专利技术采用的技术方案是这样实现的：
[0013]飞跨电容桥臂的结构(以原边侧A相为例)：开关管S1的源极和上母线相连，开关管S1的漏极和开关管S2的源极相连。S2的源极和S3的漏极相连，S3的漏极和S4的源极相连。开关管S4的源极和下母线连接。开关管S2的漏极和开关管S3的源极和飞跨电容相连，而且这两个节点也分别和二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连。二极管D1的阴极和二极管D2的阴极相连的节点与母线两个电容的中点连接。其余桥臂的结构和原边侧A相一致。
[0014]桥臂之间的连接方式：原边侧三个飞跨电容桥臂并联连接，每个桥臂的上端(S1的
状态时，开关S2和S4开通，S1和S3关断，V
AO
＝0。
[0031]在开关次序合理的情况下，飞跨电容上的电压会保持在0.5V1。当飞跨电容的电压小于0.5V1的时候，会通过一定路径给飞跨电容充电，如图3所示。例如，当桥臂处于O1状态的时候，上侧母线电容途经开关S1和二极管D2给飞跨电容充电。如果桥臂开关次序不合理，飞跨电容的电压可能存在一直充电而导致电压过高的情况，合理的开关次序如图4所示。
[0032]图5为A相波形示意图，U
A
、U
B
和U
C
的零电平所占角度相同，为D1；副边U
X
、U
Y
和U
Z
的占空比所占角度相同，为D2。B相和C相占空比与A相一致，相位和A相滞后或超前120度。
[0033]电流有效值的大小和损耗基本上呈正相关，将电流有效值最小作为DAB变换器占空比的优化目标，求解最优占空比，从而实现效率的提高。三相三电平拓扑的简化模型如图6所示，以此为基础进行最优占空比的求取。
[0034]电感中电流由两侧电压决定(例如，A相电流由V
AM
和V
XN
决定)，但是由于三相之间互相影响，如果使用传统的时域分析方法，电压分段函数太过繁复。在本专利技术中，使用频域分析的方法，求解最优占空比。
[0035]将VA，VB和VC使用傅里叶级数表示：
[0036][0037][0038][0039]变压器原边中性点M的电压为：
[0040][0041]A点相对于原边变压器中性点的电压V
AM
为：
[0042][0043]同样X点和N点之间的电压可以表示为：
[0044][0045]电感电压为：
[0046]V
LA
(t)＝V
AM
(t)
‑
NV
XN
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0047]根据电感的性质，可以得到电感电流。
[0048][0049]考虑到电感电流的对称性，有
[0050][0051]可以得到
[0052][0053]其中
[0054][0055][0056]由于使用三相对称的调制方式，该变换器的功率可以表示为：
[0057][0058]结合公式(13)、(18)和公式(21)可以得到此变换器的功率表达式为
[0059][0060]设定功率基准值为：
[0061][0062]电流有效值为：
[0063][0064]经分析基波传输的功率基本等于变换器传输的总功率，基波电流有效值大小基本和电感电流有效值大小相等。所以以基波传输的功率为约束条件，基波电流有效值为
[0065][0066][0067]经过求解，可以得到优化条件
[0068]当V1>NV2时
[0069][0070]当V1<NV2时
[0071][0072]调制策略框图如图7所示，根据输入电压和输出电压的不同，调节原边或者副边电压的占空比，改善了电压不匹配时三相三电平变换器电感电流较大造成效率降低的问题。
使变换器能够在宽范围调压情况下保持良好性能。
[0073]图8为实验波形图，其中从上至下分别为U
A
、U
X
和i
LA
。输入电压为150V，功率为200W。从同种工况下的实验波形可以看出，本专利技术提出的算法有效降低了电感电流大小。图9的效率曲线证明了这种控制策略对于效率提升的有效性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相三电平DAB变换器，其特征在于，所述电路包括：变换器两侧结构对称，分别由三个飞跨电容桥臂组成，两侧经变压器连接，电气隔离，能够实现能量双向流动，这种桥臂结构，能够在同样的电压场景下应用耐压较低、性能较好，开关速度更快、导通损耗更小的开关管，三相结构适用于大功率工况，同等功率下，每相分担的电流更小；飞跨电容桥臂的结构(以原边侧A相为例)：开关管S1的源极和上母线相连，开关管S1的漏极和开关管S2的源极相连，S2的源极和S3的漏极相连，S3的漏极和S4的源极相连，开关管S4的源极和下母线连接，开关管S2的漏极和开关管S3的源极和飞跨电容相连，而且这两个节点也分别和二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连。二极管D1的阴极和二极管D2的阴极相连的节点与母线两个电容的中点连接，其余桥臂的结构和原边侧A相一致。2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，原边侧三个飞跨电容桥臂并联连接，每个桥臂的上端S1的漏极、S5的漏极和S9的漏极通过上母线相互连接，每个桥臂的下端S4的源极、S8的源极和S12的源极通过下母线相互连接，每个桥臂的二极管相连的节点，二极管D1阳极和二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金路，陈文洁，杨旭，马鑫，闫瑞涛，张茹，周永兴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：