CN107231089A - 一种双向三电平h桥非隔离dc‑dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向三电平H桥非隔离DC‑DC变换器。本变换器主要应用于电池检测和电池化成设备中，实现直流斩波功能以对蓄电池进行高精度和宽电压范围充放电，在高输入电压(1000V左右)，大功率的应用场景中优势更为明显。通过采用三电平的硬件拓扑结构，减小了开关管电压应力，简化了开关选型，提高等效输出开关频率，减少电感体积和设备体积。本装置主要由两个分压电容，两个二极管钳位式三电平桥臂，以及两组储能电感和滤波电容组成。通过对设计拓扑开关阵列进行有效控制，可实现输出电压、电流宽范围变化，且极性在正负之间可连续调节，并且维持中点电压平衡。
Description
技术领域
本发明涉及非隔离DC-DC变换领域，特别适用于高输出电压、电压电流宽范围双向控制的应用场所。
背景技术
针对高输出电压、电压电流宽范围双向控制的应用场景，检索现有文献和产品，未有合适的电力电子拓扑满足要求。论文《多重双向H桥DC/DC变换器的研究》提出的两电平双向H桥DC-DC变换器可实现宽电压范围输出，但仅适用于较低电压等级场合。三电平拓扑结构可适于高电压场所，但目前多将其应用于双向AC/DC中，如专利CN201510846654.0。
针对上述问题，经研究，本申请提出了三电平H桥双向非隔离DC-DC变换器，将H桥的两个桥臂替换为中点钳位式的三电平桥臂，结合了三电平和H桥的双重优点。此拓扑结构可以选择耐压等级较低的开关管，开关损耗降低。此外，提高等效输出开关频率，减小电感。
发明内容
本申请涉及一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，本变换器拓扑主要包括电源、分压电容、二极管钳位式三电平桥臂以及储能电感和滤波电容。用分压电容来均分电源电压，形成二分之一电源电压电位，为减小开关管承受电压提供了基本条件。两个桥臂和两组储能电感、滤波电容构成H桥主功率回路。H桥在工作过程中可以看做是两组BUCK-BOOST电路的反向串联组成，左侧三电平桥臂与左侧滤波电容、储能电感为一组，构成半桥电路H1，右侧为另一组半桥电路H2。
一个三电平桥臂使用四只开关管，四只开关管首尾串联连接，每只开关管的两侧反并联一个二极管。另外有两个正向串联的二极管，其阴极连接到上面两个开关管之间，其阳极连接到下面的两个开关管之间，其相连接处连接到两个分压电容的中点Z处。中间两个开关管的连接点处接到储能电感，储能电感的另一侧与滤波电容的正极相连，滤波电容的负极接到电源的负极。
在工作时，每次均有两只同时导通，其余两只未开通的开关管均承受二分之一电源电压。与两电平结构相比，开关管在关断时承受的电压降低了一半，所以在器件选型时，开关管的耐受电压值也减小一半。将三电平桥臂的上面两个开关管同时导通时定义为P状态，中间两个管同时导通定义为O状态，下面两个管同时导通定义为N状态。则开关管主要工作在P和N状态，且两个状态互补工作。O状态为两个开关状态互相切换过程中的过渡状态。通过计算P或N状态的作用时间，并进行三角波载波调制，可以得到每只开关管相应的触发脉冲。电路工作在BUCK模式，分压电容电流会在O状态时由中点处流出，当电路工作在BOOST模式时，电流会在O状态时流入分压电容。流出与流入的电流很难达到自然平衡，使得下边分压电容的电压难以维持在二分之一的电源电压。根据两个分压电容的电压的偏差量来调整H1、H2桥臂的O状态作用时间，可控制流出和流入中点的电流动态平衡，实现中点电压平衡。
本申请的创新之处主要有以下几点：
1.可实现输出电压和电流在正负极性之间平稳切换。
2.可实现输出电压、电流宽范围和高精度变化。
3.可实现均压电容中点电位的电压平衡。
附图说明
附图1示出了一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器的拓扑图；
附图2示出了电容中点电压平衡控制策略流程图；
附图3示出了运行中两个分压电容经过控制后的电压波形图。
具体实施方式
下面，将结合附图对本申请的具体实施方式进行说明。
如图1所示，将两个分压电容C1、C2首尾串联在一起并联在电源DC正负极之间，用以对电源进行分压。H桥由两个三电平半桥电路H1、H2构成，H1、H2并联在电源正负极之间。
在半桥电路H1中，有四只开关管T1-T4首尾串联在一起，并在每只管子两侧反并联一只二极管D1-D4，称之为二极管钳位型三电平拓扑。另外，将两只二极管D9、D10正向串联，将阴极接到T1和T2开关管之间，阳极接到T3和T4开关管之间，D9、D10相连接处连接到两个分压电容C1和C2的中点Z处。然后从T2和T3开关管的连接点处接到储能电感L1，L1的另一侧与滤波电容C3正极相连，C3的负极接到电源DC的负极。
半桥电路H2与与半桥电路H1的搭建方式完全相同。半桥电路H2有四只开关管T5-T8首尾串联在一起，并在每只管子两侧反并联一只二极管D5-D8，称之为二极管钳位型三电平拓扑。另外，将两只二极管D11、D12正向串联，将阴极接到T5和T6开关管之间，阳极接到T7和T8开关管之间，D11、D12相连接处连接到两个分压电容C1和C2的中点Z处。然后从T6和T7开关管的连接点处接到储能电感L2，L2的另一侧与滤波电容C4正极相连，C4的负极接到电源DC的负极。
如此便将三电平H桥的基本拓扑结构搭建完好。下面以H桥应用到对电池充放电为例解释本拓扑结构的控制原理。
对三电平H桥进行控制，主要实现按照预设值对电池充放电和对电容中点电压的平衡控制。为方便分析，对电路进行简化，可将H1和H2电路等效为两个直流源，两个直流源负极接在一起，正极之间接入电池。理想情况下，两个直流源输出电压范围都可为从零到母线电压。因此通过左右侧电路的配合，可实现零伏到母线电压之间任意电压值的输出，只要满足基尔霍夫电压定律即可，因此，同一种输出电压，两侧电路可有多种工作状态组合。
将电池正极接到半桥电路H1，负极接到半桥电路H2，即将电池正负极分别连接到两个储能电感和滤波电容连接处，H1与H2相互配合对电池充放电。电池接在两组电路之间，当电池正、负极分别接在H1、H2时：若对电池进行充电，则H1工作在BUCK模式，从电源获取能量流向电池，H2工作在BOOST模式，将电池流出的电流反输送回电源，使得电流从电池正极流入负极流出；若电池进行放电时，则H1便工作在BOOST模式，将电池放出的能量送回电源，H2工作在BUCK模式，将电源流出的电流送到电池，使得电流从电池负极流入正极流出。当电池正负极反接时，H1和H2的工作模式与此相反。
半桥电路H1和H2分别使用四只开关管，工作时，每次均有两只同时导通，其余两只未开通的开关管均承受二分之一电源电压。与两电平结构相比，开关管在关断时承受的电压降低了一半，所以在器件选型时，开关管的耐受电压值也减小一半。将三电平桥臂的上面两个开关管T1-T2或T5-T6同时导通时定义为P状态，中间两个管T2-T3或T6-T7同时导通定义为O状态，下面两个管T3-T4或T7-T8同时导通定义为N状态。开关管主要工作在P和N状态，且两个状态互补工作。O状态为两个开关状态互相切换过程中的过渡状态。通过计算P或N状态的作用时间，并进行三角波载波调制，可以得到每只开关管相应的触发脉冲。
电路工作在BUCK模式，分压电容电流会在O状态时由中点处流出，当电路工作在BOOST模式时，电流会在O状态时流入分压电容。流出与流入的电流很难达到自然平衡，使得下边分压电容的电压难以维持在二分之一的电源电压。
根据两个分压电容的电压的偏差量来调整H1、H2桥臂的O状态作用时间，可控制流出和流入中点的电流动态平衡，实现中点电压平衡。
为简化控制步骤，将H2的开关管给定固定占空比，在不进行中点控制的前提下，H2中桥臂的P、O、N状态作用时间分别占开关周期的0.2、0.1、0.7，H1中桥臂的O状态作用时间占开关周期得0.1，P和N状态的作用时间需进行闭环调节，以按照预定的电压或电流值对电池充放电。
为了实现中点电压的平衡控制，需要调节H1、H2的O状态作用时间，O状态的作用时间范围设为0.05-0.15倍开关周期。在给电池充电时，若下侧电容电压小于二分之一电源电压，此时需增加H2的O状态作用时间ΔT，减小H1的O状态作用时间ΔT；若下侧电容电压大于二分之一电源电压，此时需减小H2的O状态作用时间ΔT，增加H1的O状态作用时间ΔT，待电容电压偏差值小于允许的偏差值时，两侧O状态作用时间保持不变。电池放电时H1和H2的O状态作用时间的变化与此相反，在O状态作用时间变化过程中，P和N状态作用时间均分别变化ΔT/2。所述中点电压调节流程如图2所示：根据分压电容C1、C2的电压大小关系，分别控制H1和H2的P、O、N状态作用时间。按照此原理，对分压电容的电压初始值分别为200V和800V进行仿真，经过调节两侧O状态作用时间，两分压电容的电压达到均衡状态，解释了所提控制方法的有效性，分压电容的电压变化波形如图3所示。
Claims (10)
1.一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，所述变换器的拓扑包括电源、分压电容、二极管钳位式三电平桥臂、储能电感和滤波电容，其特征在于：包括两个所述分压电容、两个所述二极管钳位式三电平桥臂、两组所述储能电感和滤波电容；所述二极管钳位式三电平桥臂、所述储能电感和滤波电容构成H桥主功率回路，所述H桥主功率回路包括半桥电路H1和半桥电路H2，所述H桥主功率回路在工作过程中等效为两组BUCK-BOOST电路的反向串联；所述半桥电路H1和半桥电路H2并联在所述电源的正极和负极之间。
2.根据权利要求1所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：半桥电路H1由左侧的一个所述二极管钳位式三电平桥臂、一组所述储能电感和滤波电容构成；半桥电路H2由右侧的另一个所述二极管钳位式三电平桥臂、另一组所述储能电感和滤波电容构成。
3.根据权利要求2所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：所述电源的电压由所述分压电容来均分，形成二分之一电源电压电位。
4.根据权利要求3任一项所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：每个所述二极管钳位式三电平桥臂包括首尾串联的四只开关管，所述串联的四只开关管依次为第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，每只所述开关管的两侧反并联一个二极管。
5.根据权利要求4所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：半桥电路H1和H2还分别包括两个正向串联的二极管，所述串联的两个二极管的阴极连接到所述第一开关管和所述第二开关管之间，所述串联的两个二极管的阳极连接到所述第三开关管和所述第四开关管之间，所述串联的两个开关管的相连接处连接到两个所述分压电容的中点Z处。
6.根据权利要求5所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：所述第二开关管和所述第三开关管的连接点处接到所述储能电感，所述储能电感的另一侧与所述滤波电容正极相连，所述滤波电容的负极接到所述电源的负极。
7.根据权利要求6所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：所述第一和第二开关管同时导通时定义为P状态，所述第二和第三开关管同时导通定义为O状态，所述第三和第四开关管同时导通定义为N状态，所述开关管工作在所述P和N状态，且两个所述状态互补工作，所述O状态为两个开关管所述状态互相切换过程中的过渡状态。
8.根据权利要求7所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：通过计算所述P或N状态的作用时间，并进行三角波载波调制，得到每只所述开关管相应的触发脉冲。
9.根据权利要求8所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：当所述半桥电路H1或H2工作在BUCK模式时，所述分压电容电流会在O状态时由中点处流出；当所述半桥电路H1或H2工作在BOOST模式时，电流会在O状态时流入所述分压电容。
10.根据权利要求9所述的一种双向三电平H桥非隔离DC-DC变换器，其特征在于：根据两个所述分压电容的电压的偏差量来调整所述二极管钳位式三电平桥臂的O状态作用时间，以控制流出和流入中点的电流动态平衡，实现中点电压平衡。
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