一种三电平直流变换装置及采用该装置的电能变换方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种三电平直流变换装置及采用该装置的电能变换方法。本发明专利技术的三电平直流变换装置包括n个三电平直流变换模块M1、M2、······、Mi、······Mn，所述n个三电平直流变换模块彼此并联连接，且每一个模块都具有相同的电路结构和参数。本发明专利技术的电能变换方法对模块内和模块之间的开关管都进行移相控制。本发明专利技术的三电平直流变换器装置结构简单，扩展性强，冗余能力高，且将低压的单个开关管应用到高压大功率的电能变换场合；本发明专利技术的控制方法可将三电平直流变换装置的等效开关频率提高至原开关频率的2n倍，大幅度减小输入电流和输出电压的脉动，从而大大减小输入和输出滤波器的体积、重量和成本，同时电路的效率和动态性能也得到提高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。本专利技术的三电平直流变换装置包括n个三电平直流变换模块M1、M2、······、Mi、······Mn，所述n个三电平直流变换模块彼此并联连接，且每一个模块都具有相同的电路结构和参数。本专利技术的电能变换方法对模块内和模块之间的开关管都进行移相控制。本专利技术的三电平直流变换器装置结构简单，扩展性强，冗余能力高，且将低压的单个开关管应用到高压大功率的电能变换场合；本专利技术的控制方法可将三电平直流变换装置的等效开关频率提高至原开关频率的2n倍，大幅度减小输入电流和输出电压的脉动，从而大大减小输入和输出滤波器的体积、重量和成本，同时电路的效率和动态性能也得到提高。【专利说明】—种三电平直流变换装置及采用该装置的电能变换方法
本专利技术涉及一种直流-直流电能变换装置，具体涉及适用于高压、大功率应用场合的。
技术介绍
近年来，电力电子技术在现代工业社会中的应用越来越广泛，对电能变换装置的要求也越来越高,高效、高可靠性、高功率密度、低成本、模块化已经成为电力电子技术发展的主要趋势。在很多场合，如通信电源、三相功率因数校正变换器、舶电气、高速铁路电气、轨道交通电气等，它们的输入或输出电压都较高，米用传统的变换器，如Buck、Boost、Buck-Boost, Cuk, SEPIC、Zeta、半桥和全桥等，需要选择高电压定额的开关管。高压的MOSFET开关管，通态电阻大，导通损耗大，不利于提高变换器效率；高压的IGBT开关管，电流拖尾现象严重，限制开关频率的提高，不利于减小变压器和滤波器的体积、重量和成本；开关管串联，需要较复杂的电路和控制来保证串联开关管之间较好同步控制和均压。此外，上述场合中，其输入或输出电流也都很大，采用开关管并联的方式以满足大电流需求，一方面要求器件本身有较好的一致性，另一方面也要求开关管有较好的同步控制，这样大大增加了器件筛选的成本，和电路控制的难度，整个系统的可靠性也较低；再者，大功率变压器和滤波器的制作工艺复杂，成本较高，且不利于安装和维护。因此，目前传统变换器和技术在高压大功率场合应用时存在种种问题，这些问题尚未得到解决。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出了。本专利技术的三电平直流变`换装置及电能变换方法在满足高压大功率需求的基础上，不仅拓扑结构简单、标准化、模块化，具有冗余能力，而且还将低电压定额的单个开关管运用到高压、大功率的领域，从而大大降低了装置的成本和提高了可靠性。此外，本专利技术的电能变换方法通过采用移相控制结合多个三电平直流变换模块并联的方式，将在保证每一个开关管开关频率不变的基础上，提高整个装置的等效开关频率，从而进一步减小装置的滤波器体积、重量和成本，同时电路的效率和动态性能也得到提高。具体而言，本专利技术提供了一种三电平直流变换装置，其特征在于，所述直流变换装置包括η个三电平直流变换模块M^M2、......、Mp......Mn，其中，1、η为正整数，i ( n，所述η个三电平直流变换模块彼此并联连接；每个三电平直流变换模块包括第一升压电感LMiJ和第二升压电感Lm 2、第一开关管Smu和第二开关管SMi—2、第一二极管Dmu和第二二极管DMi—2以及第一分压电容Cmu和第二分压电容CMi—2，低压直流输入端Uin的两端分别输入至每个三电平直流变换模块的两个输入端，其中，所述直流变换装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路输出的驱动控制信号分别输送至每个三电平直流变换模块的第一开关管sMi」和第二开关管SMi 2，依次驱动所述直流变换装置中的所有开关管，使得每个开关管之间的驱动控制信号相差预定相位周期。进一步地，对于每个三电平直流变换模块，低压直流输入端Uin的正极连接至第一升压电感LMi !的第一端，第一升压电感LMi !的第二端分别连接至第一二极管Dm !的阳极和第一开关管SMi i的集电极，第一开关管SMi i的发射极连接至第二开关管SMi 2的集电极，第二开关管SMi 2的发射极分别连接至第二升压电感的第二端和第二二极管Dm 2的阴极，第二升压电感的第一端连接至直流输入端Uin的负极，第一二极管DMi」的阴极连接至第一分压电容CMi」的正极，第一分压电容CMi」的负极分别连至第一开关管SMi」的发射极和第二分压电容CMi 2的正极，第二分压电容CMi 2的负极连接至第二二极管Dm 2的阳极，第一分压电容cMiJ的正极和第二分压电容CMi 2的负极分别作为高压直流输出端U。的正极和负极。进一步地，每个三电平直流变换模块彼此相同，并且对于每个三电平直流变换模块，其中的第一升压电感LMi—i和第二升压电感LMi—2的感值相等，第一分压电容Cmu和第二分压电容CMi 2的容值相等。进一步地，所述驱动控制电路从每个三电平直流变换模块接收其中的开关管的导通压降信号，并且判断所述导通压降信号是否超出预定阈值，如果所述导通压降信号超出所述预定阈值，则所述驱动控制电路关断该三电平直流变换模块内的两个开关管，并相应改变所述η值。另一方面，本专利技术提供一种上述三电平直流变换装置进行电能变换的方法，其特征在于，所述方法包括:确定低压直流输入端Uin的输入电压值；判断所述输入电压值是否大于待输出电压U。的1/2 ；如果所述输入电压值Uin>Uy2，利用所述三电平直流变换装置的驱动控制电路依次向所述三电平直流变换装置中的开关管输出占空比小于0.5的输出脉冲；如果所述输入电压值Uin≤U0/2，则利用所述三电平直流变换装置的驱动控制电路依次向所述三电平直流变换装置中的开关管输出占空比大于或等于0.5的输出脉冲。进一步地，所述方法包括利用所述三电平直流变换装置的驱动控制电路驱动所述三电平直流变换装置中的所有开关管，使得每个开关管之间的驱动控制信号相差预定相位周期。本专利技术的三电平直流变换装置中，不仅每一个三电平直流变换器模块中的两个开关管是移相控制的，而且模块与模块之间的开关管也是移相控制，也就是说整个结构中的开关管都进行了移相控制，具体为开关管SM1_1、SM1_2, Sm2_1, Sm2_ 2......SMn_ l, SMn_ 2具有相同的开关频率和占空比，但其驱动信号的相位依次相差180° /n，从开关管的开通时刻来看，则依次相差Ts/(2n)，Ts = l/fs为开关管的开关周期，fs为开关管的开关频率。这样一来，所述三电平直流变换装置的等效开关频率相当于2nXfs。在本专利技术的一个优选实施例中，对于三电平直流变换装置中所有的开关管，所述驱动控制电路输送给每个开关管的驱动控制信号依次相差l/2n个开关周期。优选地，所述开关周期为500微秒、200微秒或者150微秒。在本专利技术的另一个优选实施例中，并且，所述驱动控制电路输送给每个开关管的驱动控制信号的结束时间与所述驱动控制电路输送给下一开关管的驱动控制信号的开始时间之间的间隔小于每个驱动控制信号的持续时间。所述三电平直流变换装置及采用该装置的电能变换方法的优点在于: (I)每一个模块的结构都较简单，且具有统一的尺寸和接口，有利于标准化和模块化的设计和生产，扩展性强；(2)任意一个模块损坏后，通过关断对应模块内的开关管，可以使该模块自动停止工作，对正常工作的模块无影响，也无需开关等将其切除，整个结构可继续本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平直流变换装置，其特征在于，所述直流变换装置包括n个三电平直流变换模块M1、M2、······、Mi、······Mn，其中，i、n为正整数，i≤n，所述n个三电平直流变换模块彼此并联连接；每个三电平直流变换模块包括第一升压电感LMi_1和第二升压电感LMi_2、第一开关管SMi_1和第二开关管SMi_2、第一二极管DMi_1和第二二极管DMi_2以及第一分压电容CMi_1和第二分压电容CMi_2，低压直流输入端Uin的两端分别输入至每个三电平直流变换模块的两个输入端，其中，所述直流变换装置还包括驱动控制电路，所述驱动控制电路输出的驱动控制信号分别输送至每个三电平直流变换模块的第一开关管SMi_1和第二开关管SMi_2，依次驱动所述三电平直流变换装置中的所有开关管，使得每个开关管之间的驱动控制信号相差预定相位周期。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴浩伟，姚川，李鹏，周樑，蔡凯，徐正喜，陈涛，魏华，欧阳晖，李小谦，姜波，李可维，邢贺鹏，金惠峰，罗伟，耿攀，孙朝晖，谢炜，吴大立，余跃听，雷津，袁阳，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42