一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法技术

本发明专利技术公开一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，基于n相交错并联三电平DCDC变换器，即包括n个三电平桥臂并联，每个三电平桥臂由上半桥与下半桥的开关管串联组成，开关管两端并联高频电容或利用开关管的寄生电容；所述n个三电平桥臂以及三电平桥臂自身上半桥和下半桥的载波交错移相；通过变开关频率和变占空比控制，使得变换器工作在近似临界导通模式，从而实现零电压软开关，产生谐振过渡时间；利用谐振过渡时间等效的占空比具有抵消不平衡分量的效果，从而实现电容电压和电感电流的自均衡。本发明专利技术解决了传统交错并联和三电平变换器的均压均流传感器数量多、成本贵的问题，显著降低了均流均压所需传感器的数量和成本。量和成本。量和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，特别是涉及一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法。

技术介绍

[0002]多电平DCDC变换器可以广泛应用于各种直流储能系统，储能媒介有燃料电池、蓄电池和超级电容，适用于电力系统和交通运输等多种场景，因此对于其的研究比较热门。但是由于多电平DCDC变换器的高压侧具有串联电容结构，开关管驱动电路以及开关特性不完全相同可能导致高压侧滤波电容电压不均衡，有可能损坏开关管器件，故电容电压均衡成为研究三电平拓扑的关键问题。考虑到开关数量以及系统的复杂性，三电平拓扑的研究是最普遍的。
[0003]三电平技术常用于降低开关管的电压应力，而采用飞跨电容三电平拓扑作为DCDC变换器，所有负载电流都流过飞跨电容，导致电容体积较大，不利于实现大功率的应用。将交错并联技术与三电平技术的优势相结合可广泛应用于高压大功率场合，降低高频电流纹波与电感电容体积，增加功率容量，提升效率。但是由于交错并联的各相之间不可避免存在差异，易带来电流不均衡的问题，故电流均衡问题是交错并联结构的关键问题。
[0004]交错并联三电平变换器的研究重点，即均流与均压问题，常规的均流方式有主动均衡控制，对每个并联支路进行电流采样实现闭环均流控制，但传感器数量多，故提出减少传感器数量控制方案，如采用单个直流母线电流传感器采样、利用高压直流母线电容寄生电阻产生高频电压跌落等；对于电压均衡方案有两类：第一种利用电压传感器采集电容电压加入闭环控制系统主动调节电容电压为期望值，第二种为利用变换器特性实现无传感器电压均衡，如飞跨电容多电平变换器，抑制不平衡电压，但因其造成电容体积大不适用于高功率密度变换器。通过比较发现，以上电流与电压均衡方式不利于实现变换器高功率密度与低成本，且对于特殊情况下的应用很难应用到更多数量的半桥并联与串联的拓扑结构。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，用电感组件与谐振电容构成的谐振网络实现主功率电路的软开关，且只利用一个总的电流传感器，通过变开关频率方式实现电压与电流的同时自均衡，不受多个传感器精度、温湿度等影响造成电路不均衡问题，减少传感器的数量，降低成本。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，用于n相交错并联三电平DCDC变换器，所述n相交错并联三电平DCDC变换器包括：n个三电平桥臂并联，每个三电平桥臂包括上半桥与下半桥的开关管串联组成，开关管两端并联电容；在所述上半桥与下半桥的输出端均设置有滤波电感，输入端接有串联的输入滤波电容；
[0007]基于上述n相交错并联三电平DCDC变换器，其电压电流自均衡方法为：n个三电平
桥臂以及三电平桥臂自身上半桥和下半桥的载波交错移相，通过闭环调节开关频率，使得变换器工作在近似临界导通模式，从而实现零电压软开关，产生谐振过渡时间；利用谐振过渡时间等效的占空比具有抵消不平衡分量的效果，从而实现电容电压和电感电流的自均衡。
[0008]进一步的是，基于所述n相交错并联三电平DCDC变换器，其电压电流自均衡方法包括步骤：
[0009]步骤1，对交错并联三电平DCDC变换器拓扑的输出汇总电流、输入端与输出端的电压进行采样，得到汇总电流、输入电压和输出电压的采样值。
[0010]步骤2，给定与平均电流反向的电感电流值，并且对主功率开关管的导通过程中死区时间进行限制；
[0011]步骤3，利用采样得到的输入电压、输出电压以及汇总电流，以及给定的反向电流值与开关管死区时间，计算变换器工作在近似临界导通模式所需的开关频率和占空比；
[0012]步骤4，利用PWM调整系统的开关频率与主功率开关管的占空比，实现对变换器进行变频与变占空比控制；
[0013]步骤5，经过变频与变占空比调制后，使得变换器系统的电感电流保持合适的反向电流值，从而维持其工作在近似临界导通模式，实现开关管的零电压软开关操作；
[0014]步骤6，通过开关管的零电压软开关操作实现的条件得到开关管谐振过渡的时间，进而使得变换器产生额外等效占空比；根据占空比的计算公式得到等效占空比与电感电流成反比关系，与输入端电容电压成正比关系，自动补偿不平衡分量；
[0015]步骤7，调节系统开关频率使得变换器工作在近似临界导通模式实现开关零电压导通，产生的软开关过渡时间等效的占空比可以抵消电感电流与输入端电容电压的不平衡，也即是不平衡分量产生的负反馈机制来自动均衡电感电流和电容电压；
[0016]步骤8，通过变开关频率操作保持电感电流在每个开关周期具有正负值，获得近似临界导通模式下的等效补偿占空比，产生电感电流与电容电压自均衡的效果，对各开关的等效占空比自动进行修正，使电容电压与电感电流同时实现自均衡。
[0017]进一步的是，由四个开关管串联构成一个三电平桥臂并联，三电平桥臂的上半桥具有两个开关管为开关管Ⅰ和开关管Ⅱ且两个开关管相连处作为输出端，三电平桥臂的下半桥具有两个开关管为开关管Ⅲ和开关管Ⅳ且两个开关管相连处作为输出端；
[0018]在每个开关管两端均并联有高频电容或利用开关管的寄生电容；
[0019]上半桥的输出端设置有第一滤波电感，下半桥的输出端设置有第二滤波电感，上半桥和下半桥输入端接有两个相互串联输入滤波电容。
[0020]进一步的是，将交错并联三电平拓扑结构拆分为上下半桥部分，对应的上半桥和下半桥也即为交错并联两电平变换器结构，获取实际等效占空比与不平衡电感电流之间的关系；
[0021]在上半桥中开关管Ⅰ为主功率开关管，开关管Ⅰ与开关管Ⅱ开关状态互补，给定理想状态下门极驱动固定的控制占空比，由于变开关频率下使得开关管Ⅰ与开关管Ⅱ工作在近似临界导通模式，实现零电压软开关，所以该过程中的谐振过渡时间会产生额外等效占空比，即：开关管两端并联的电容与主电感构成的谐振网络进行谐振过渡；当开关管Ⅰ关断，第一滤波电感与开关管Ⅰ与开关管Ⅱ的并联电容构成一个谐振网络进行能量传递，在该过
程中开关管Ⅰ的并联电容被充电到输入端直流母线电容电压，开关管Ⅱ的并联电容被放电到0，直到电压被开关的反并联二极管钳住，当流经反并联二极管的电流方向即将发生变化时，开关管Ⅱ实现零电压软开关导通，获取实际等效占空比与不平衡电感电流之间的关系；
[0022]或者，在下半桥中开关管Ⅲ为主功率开关管，开关管Ⅲ与开关管Ⅳ开关状态互补，给定理想状态下门极驱动固定的控制占空比，由于变开关频率下使得开关管Ⅲ与开关管Ⅳ工作在近似临界导通模式，实现零电压软开关，所以该过程中的谐振过渡时间会产生额外等效占空比，即：开关管两端并联的电容与主电感构成的谐振网络进行谐振过渡；当开关管Ⅲ关断，第二滤波电感与开关管Ⅲ与开关管Ⅳ的并联电容构成一个谐振网络进行能量传递，在该过程中开关管Ⅲ的并联电容被充电到输入端直流母线电容电压，开本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，其特征在于，用于n相交错并联三电平DCDC变换器，所述n相交错并联三电平DCDC变换器包括：n个三电平桥臂并联，每个三电平桥臂包括上半桥与下半桥的开关管串联组成，开关管两端并联电容；在所述上半桥与下半桥的输出端均设置有滤波电感，输入端接有串联的输入滤波电容；基于上述n相交错并联三电平DCDC变换器，其电压电流自均衡方法为：n个三电平桥臂以及三电平桥臂自身上半桥和下半桥的载波交错移相，通过闭环调节开关频率，使得变换器工作在近似临界导通模式，从而实现零电压软开关，产生谐振过渡时间；利用谐振过渡时间等效的占空比具有抵消不平衡分量的效果，从而实现电容电压和电感电流的自均衡。2.根据权利要求1所述的一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，其特征在于，基于所述n相交错并联三电平DCDC变换器，其电压电流自均衡方法包括步骤：步骤1，对交错并联三电平DCDC变换器拓扑的输出汇总电流、输入端与输出端的电压进行采样，得到汇总电流、输入电压和输出电压的采样值。步骤2，给定与平均电流反向的电感电流值，并且对主功率开关管的导通过程中死区时间进行限制；步骤3，利用采样得到的输入电压、输出电压以及汇总电流，以及给定的反向电流值与开关管死区时间，计算变换器工作在近似临界导通模式所需的开关频率和占空比；步骤4，利用PWM调整系统的开关频率与主功率开关管的占空比，实现对变换器进行变频与变占空比控制；步骤5，经过变频与变占空比调制后，使得变换器系统的电感电流保持合适的反向电流值，从而维持其工作在近似临界导通模式，实现开关管的零电压软开关操作；步骤6，通过开关管的零电压软开关操作实现的条件得到开关管谐振过渡的时间，进而使得变换器产生额外等效占空比；根据占空比的计算公式得到等效占空比与电感电流成反比关系，与输入端电容电压成正比关系，自动补偿不平衡分量；步骤7，调节系统开关频率使得变换器工作在近似临界导通模式实现开关零电压导通，产生的软开关过渡时间等效的占空比可以抵消电感电流与输入端电容电压的不平衡，也即是不平衡分量产生的负反馈机制来自动均衡电感电流和电容电压；步骤8，通过变开关频率操作保持电感电流在每个开关周期具有正负值，获得近似临界导通模式下的等效补偿占空比，产生电感电流与电容电压自均衡的效果，对各开关的等效占空比自动进行修正，使电容电压与电感电流同时实现自均衡。3.根据权利要求1所述的一种交错并联三电平DCDC变换器的电压电流自均衡方法，其特征在于，由四个开关管串联构成一个三电平桥臂并联，三电平桥臂的上半桥具有两个开关管为开关管Ⅰ和开关管Ⅱ且两个开关管相连处作为输出端，三电平桥臂的下半桥具有两个开关管为开关管Ⅲ和开关管Ⅳ且两个开关管相连处作为输出端；在每个开关管两端均并联有高频电容或利用开关管的寄生电容；上半桥的输出端设置有第一滤波电感，下半桥的输出端设置有第二滤波电感，上半桥和下半桥输入端接有两...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志刚，赫新宇，
申请(专利权)人：重庆线艺嘉电子有限公司，
类型：发明
国别省市：