一种混合功率器件三相三电平ANPC-DAB变换器及其调制方法技术

本发明专利技术公开了一种混合功率器件三相三电平ANPC

【技术实现步骤摘要】
一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器及其调制方法


[0001]本专利技术属于直流
‑
直流变换器
，更具体地，涉及一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器及其调制方法。

技术介绍

[0002]作为直流配网的关键设备，双有源桥直流变换器(Dual Active Bridge,DAB)在实现电压变换、电气隔离的同时，能够满足能量双向流动的电能输送需求，且具备单移相控制下的固有软开关能力，得到广泛应用。为提高单相拓扑的功率等级，三相DAB拓扑由于相数耦合，变换器功率等级更高、功率密度更大，且降低的直流侧电流纹波，使得滤波电容体积小、成本低，显著减小了变换器的尺寸和重量，提高变换器的效率和可靠性，延长寿命。
[0003]为提高变换器的电压等级，多电平电路拓扑可以采用较低电压等级的开关器件，更适用于较高直流母线电压的应用场合，其中三电平拓扑的应用最为广泛。与两电平电路拓扑相比，三电平电路拓扑具有功率器件电压应力低、电压变化率小、等效开关频率高的优点。有源中点箝位型(Active Neutral Point Clamped，ANPC)三电平电路采用全有源器件，不仅为所有开关管提供了可靠的电压箝位，还提供了冗余的零电压开关状态，为更好地提高变换器性能增加了可能性。若将ANPC电路引入三相DAB变换器，能够进一步扩大其电压等级及功率等级优势，与三相两电平DAB变换器相比，三相三电平ANPC
‑
DAB变换器具有电平数更多、电感电流更接近正弦、电流纹波更小、滤波更容易的优势，更加适用于中压直流输电、电动汽车、数据中心等应用场所及中、大功率应用场合。
[0004]现有绝大多数的ANPC
‑
DAB变换器拓扑中，均采用统一功率器件，显然在大功率应用场合，Si器件因其固有性质对变换器性能产生限制，SiC器件高开关频率、低开关损耗的优势则更为突出，但全SiC器件无疑极大增加了变换器的成本。综合考虑变换器性能与成本因素，采用Si、SiC混合功率器件的三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，具备不可忽视的工业应用价值。然而，混合器件拓扑的驱动调制选取，不仅需要考虑DAB中ANPC驱动原则，更应该考虑三相三电平ANPC
‑
DAB变换器自身的拓扑特点及工作原理，以实现其拓扑优势最大化。因而，提出适宜的驱动调制配合混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器运行，并推导其工作原理及传输功率表达式，是本领域技术人员关心的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器及其调制方法，其目的在于提高变换器的功率密度与电压等级，适用于宽输入输出电压变化范围，大幅提高变换器性能的同时，有效控制变换器的成本。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，包括：输入侧三相半桥ANPC电路、三相辅助电感及变压器、输出侧三相半桥ANPC电路和ANPC电路驱动信号调制单元；
[0007]输入侧三相半桥ANPC电路包括三个单相桥臂A1、B1、C1；每个单相桥臂包括六个开
关管S
i1
‑
S
i6
，每个开关管反向并联有二极管；其中，第二开关管S
i1
和第三开关管S
i3
采用SiC MOSFET器件，剩余开关管均采用相同电压等级的Si IGBT器件；i＝A1、B1、C1；三相桥臂对应开关管的驱动信号之间依次有120
°
移相角；
[0008]输出侧三相半桥ANPC电路包括三个单相桥臂A2、B2、C2，结构与输入侧三相半桥ANPC电路相同；
[0009]输入侧每个单相桥臂中第一开关管S
i1
、第二开关管S
i2
、第三开关管S
i3
和第四开关管S
i4
依次串联在输入侧直流母线正极P1和负极N1之间；第五开关管S
i5
的一端连接第一开关管S
i1
和第二开关管S
i2
连接点，另一端连接输入侧零点O1；第六开关管S
i6
的一端连接第三开关管S
i3
和第四开关管S
i4
连接点，另一端连接输入侧零点O1；第二开关管S
i2
和第三开关管S
i3
连接点构成输入侧三相半桥ANPC电路交流侧，通过三相辅助电感与三相变压器原边相连；
[0010]输出侧每个单相桥臂中开关管分别连接在输出侧直流母线正极P2、负极N2和零点O2之间，连接方式与输入侧单相桥臂开关管相同；交流侧与三相变压器副边直接相连；
[0011]ANPC电路驱动信号调制单元的输出端分别与输入侧三相半桥ANPC电路、输出侧三相半桥ANPC电路的驱动单元控制端连接；
[0012]ANPC电路驱动信号调制单元，用于控制输入侧和输出侧三相半桥ANPC电路的开关管开通、关断，使得开关损耗集中在SiC MOSFET器件，同时实现所述变换器的正常工作运行。
[0013]进一步地，输入侧直流母线正极P1和负极N1之间连接输入侧电压V
p
，以及并联的第一电容C
p1
、第二电容C
p1
。
[0014]进一步地，输出侧直流母线正极P2、负极N2之间连接输出侧电压V
s
，以及并联的第三电容C
s1
、第四电容C
s2
。
[0015]进一步地，三相变压器绕组的连接方式为Y
‑
Y连接结构、Y
‑
Δ连接结构或Δ
‑
Δ连接结构。
[0016]进一步地，Y
‑
Y连接结构下，所述变换器的有功功率P
Y
‑
Y
、无功功率Q
Y
‑
Y
、最大有功传输功率P
Y
‑
Y_max
分别为：
[0017][0018][0019][0020]k表示所述变换器的电压转换比，k＝n
k
V
s
/V
p
，n
k
为所述变压器的匝数比；V
p
表示输入侧电压；V
s
表示输出侧电压；f
s
表示各开关管的开关频率；L表示辅助电感；d1表示输入侧的内移相比，即输入侧各相半桥ANPC电路中第一开关管与第五开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d2表示输出侧的内移相比，即输出侧各相半桥ANPC电路中第一开关管与第五开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，包括：输入侧三相半桥ANPC电路、三相辅助电感及变压器、输出侧三相半桥ANPC电路和ANPC电路驱动信号调制单元；输入侧三相半桥ANPC电路包括三个单相桥臂A1、B1、C1；每个单相桥臂包括六个开关管S
i1
‑
S
i6
，每个开关管反向并联有二极管；其中，第二开关管S
i1
和第三开关管S
i3
采用SiC MOSFET器件，剩余开关管均采用相同电压等级的Si IGBT器件；i＝A1、B1、C1；三相桥臂对应开关管的驱动信号之间依次有120
°
移相角；输出侧三相半桥ANPC电路包括三个单相桥臂A2、B2、C2，结构与输入侧三相半桥ANPC电路相同；输入侧每个单相桥臂中第一开关管S
i1
、第二开关管S
i2
、第三开关管S
i3
和第四开关管S
i4
依次串联在输入侧直流母线正极P1和负极N1之间；第五开关管S
i5
的一端连接第一开关管S
i1
和第二开关管S
i2
连接点，另一端连接输入侧零点O1；第六开关管S
i6
的一端连接第三开关管S
i3
和第四开关管S
i4
连接点，另一端连接输入侧零点O1；第二开关管S
i2
和第三开关管S
i3
连接点构成输入侧三相半桥ANPC电路交流侧，通过三相辅助电感与三相变压器原边相连；输出侧每个单相桥臂中开关管分别连接在输出侧直流母线正极P2、负极N2和零点O2之间，连接方式与输入侧单相桥臂开关管相同；交流侧与三相变压器副边直接相连；ANPC电路驱动信号调制单元的输出端分别与输入侧三相半桥ANPC电路、输出侧三相半桥ANPC电路的驱动单元控制端连接；ANPC电路驱动信号调制单元，用于控制输入侧和输出侧三相半桥ANPC电路的开关管开通、关断，使得开关损耗集中在SiC MOSFET器件，同时实现所述变换器的正常工作运行。2.根据权利要求1所述的一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，输入侧直流母线正极P1和负极N1之间连接输入侧电压V
p
，以及并联的第一电容C
p1
、第二电容C
p1
。3.根据权利要求2所述的一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，输出侧直流母线正极P2、负极N2之间连接输出侧电压V
s
，以及并联的第三电容C
s1
、第四电容C
s2
。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，三相变压器绕组的连接方式为Y
‑
Y连接结构、Y
‑
Δ连接结构或Δ
‑
Δ连接结构。5.根据权利要求4所述的一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，Y
‑
Y连接结构下，所述变换器的有功功率P
Y
‑
Y
、无功功率Q
Y
‑
Y
、最大有功传输功率P
Y
‑
Y_max
分别为：为：为：k表示所述变换器的电压转换比，k＝n
k
V
s
/V
p
，n
k
为所述变压器的匝数比；V
p
表示输入侧
电压；V
s
表示输出侧电压；f
s
表示各开关管的开关频率；L表示辅助电感；d1表示输入侧的内移相比，即输入侧各相半桥ANPC电路中第一开关管与第五开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d2表示输出侧的内移相比，即输出侧各相半桥ANPC电路中第一开关管与第五开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值；d表示外移相比，即两侧对应相半桥ANPC电路中第一开关管驱动信号开通时间差与半开关周期的比值。6.根据权利要求4所述的一种混合功率器件三相三电平ANPC
‑
DAB变换器，其特征在于，Y
‑
Δ连接结构下，所述变换器的有功功率P
Y
‑
Δ
、无功功率Q
Y
‑△
、最大有功传输功率P
Y
‑
Δ_max
为：为：为：k表示所述变换器的电压转换比，k＝n
k
V
s
/V
p
，n
k
为所述变压器的匝数比；V
p
表示输入侧电压；V
s
表示输出侧电压；f
s
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，吴欣蜜，杨佳文，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：