[发明专利]一种双频控制组合式三相三电平直流变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明的双频控制组合式三相三电平直流变换器及其控制方法，属电能变换装置的直流变换器。

背景技术

随着电力电子技术不断发展，高效节能成为当前电源系统的主流需求方向。在大功率直流变换场合，为了提高电源系统的普适性或适应电网的大范围波动，往往需要电源系统还要满足宽电压变化范围要求，由此给电源系统设计带来了极大的挑战。以电动汽车场站充电系统为例，就输入来看，最新的SAE J1772-2009标准提供两种输入供电制式：交流供电和直流供电。直流供电制式分为三种等级，其中直流等级3输入电压范围为200V～600V，未来最高输入电压可能提升至数千伏，最大处理功率将达到240kW甚至更高。就输出来看，国家电网公司为统一国内充电系统电压等级，确定通过三种直流电压来适应各类电动汽车充电要求，即350V、500V和700V，为提高充电系统普适性，未来其输出需覆盖各个电压等级，这就要求场站充电系统应具有宽电压输出特性。具有类似特点的电源系统还有船舶、高速电气铁路和城市轨道交通等电气系统中的辅助直流电源系统，如在城市轨道交通车辆中，受流器从架空接触网或第三轨接收直流电能为车载辅助电源供电，其供电电网有750V直流及1500V直流两种体制，前者允许电压变化范围为500～900V，后者允许电压变化范围为1000～1800V；船舶供电系统中电源电压有的采用850～1250V直流，高速电气铁路中的直流母线电压更是高达2160～2600V。综上，为了提高电源装置的普适性和综合电气性能，上述电源系统需满足大功率输出、高输入/输出电压和宽输入/输出电压等诸多苛刻要求。

三电平变换器可以通过增加开关管的数量来降低开关管的电压应力，使之适用于高输入电压场合。半桥三电平变换器是最早提出的隔离型三电平变换器之一，它具有电路结构简单、可以实现软开关、开关频率恒定等优点，因而得到广泛应用。但随着输出功率的提高，开关管的电流应力也随之增加。为降低开关管的电流应力，可采用多个器件或模块并联，但也同时存在热设计困难、控制电路复杂等问题。为解决该问题，有学者提出三相三电平直流变换器拓扑，有效降低了开关管的电压电流应力，适用于大功率应用场合，但变换器在宽输入电压场合下难以优化设计，同时开关管和二极管数量多，变换器结构较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，解决了变换器结构复杂的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种双频控制组合式三相三电平直流变换器，包括三电平箝位单元、三相全桥单元，所述三电平箝位单元包括第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容、第七开关管、第八开关管、第一续流二极管、第二续流二极管，所述第一分压电容、第二分压电容、飞跨电容分别包括第一端、第二端；其中，所述第七开关管的输入端与第一分压电容的第一端连接，第七开关管的输出端分别与第一续流二极管的阴极、飞跨电容的第一端连接形成结点M；所述第一续流二极管的阳极分别与第一分压电容的第二端、第二分压电容的第一端、第二续流二极管的阴极连接；所述飞跨电容的第二端分别与第二续流二极管的阳极、第八开关管的输入端连接形成结点N；所述第二分压电容的第二端与第八开关管的输出端连接；所述三相全桥单元包括三相桥臂、三相隔离变压器、整流滤波电路，所述三相桥臂包括A相桥臂、B相桥臂、C相桥臂，所述A相桥臂包括第一开关管、第四开关管，B相桥臂包括第三开关管、第六开关管，C相桥臂包括第二开关管、第五开关管。

为了进一步解决现有变换器输入电压范围窄的问题，本发明还提供一种双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，采用如下技术方案：

一种双频控制组合式三相三电平直流变换器的控制方法，包括降电压和全电压两种工作模式，

（1）变换器工作在降电压模式，控制所述第七开关管、第八开关管互补对称导通，控制三相全桥单元工作在对称控制方式或不对称控制方式，其中对称控制方式为：控制第一至第六开关管依次导通，每个开关管导通时间均相等，导通时间相隔1/6开关周期，每个开关管导通的占空比变化范围为1/6～1/3；不对称控制方式为：第一开关管、第三开关管、第五开关管依次导通，导通时间相隔1/3开关周期，第一开关管与第四开关管互补导通、第三开关管与第六开关管互补导通、第五开关管与第二开关管互补导通，同一桥臂上两个开关管驱动信号之间有时间间隔；