專利名稱：X型對稱H橋三電平Buck變換控制方法及實(shí)施裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域，具體講涉及X型對稱H橋三電平Buck變 換器控制方法及實(shí)施裝置。
背景技術(shù)：
隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸業(yè)需求的不斷發(fā)展，各種直流用電設(shè)備對電源電壓有 著越來越高的要求。采用高壓直流傳輸線供電的電力機(jī)車的車內(nèi)低壓設(shè)備的供電電源，一 般將高壓直流傳輸線的電壓通過高頻逆變、高頻變壓器降壓、高頻整流獲得較低的直流電 壓，從高壓直流電到低壓直流電的轉(zhuǎn)換過程中，經(jīng)過了三個(gè)中間變換環(huán)節(jié)，不僅提高了設(shè)備 成本，增大了裝置的體積，而且也降低了效率，不利于電力機(jī)車的實(shí)際有效應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的兩電平Buck直流變換器，理論上也可以將高壓直流電進(jìn)行降壓斬波 到低壓直流電，但存在幾個(gè)較為嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)問題。一個(gè)問題是高頻功率開關(guān)需承受高壓輸 入直流電的電壓應(yīng)力，低價(jià)的功率開關(guān)的額定耐壓值達(dá)不到這么高的電壓應(yīng)力；第二個(gè)問 題是，即使采用耐壓值高的功率開關(guān)，直流變換器輸出兩電平PWM電壓，導(dǎo)致較高的dv/dt 而產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，并且功率開關(guān)的開關(guān)損耗隨電壓應(yīng)力的升高而增大；第三個(gè)問題 是當(dāng)Buck變換器的降壓比(輸入直流電壓與濾波后輸出直流電壓比)較大時(shí)，傳統(tǒng)的兩電 平Buck直流變換器需要在每個(gè)載波周期內(nèi)將功率開關(guān)的PWM控制信號的脈沖寬度約束到 較小值，產(chǎn)生一系列窄脈沖施加到功率開關(guān)的門極，這樣會導(dǎo)致功率開關(guān)的實(shí)際開關(guān)速度 跟不上窄脈沖的變化速度，從而使輸出的直流電壓嚴(yán)重畸變。傳統(tǒng)的兩電平Buck變換器在應(yīng)用于高壓直流輸入-低壓直流輸出場合時(shí)，其單個(gè) 功率開關(guān)承受的電壓應(yīng)力即為高壓直流輸入電壓，這相當(dāng)于提高了功率開關(guān)的耐壓等級， 并且會使得功率開關(guān)的開關(guān)損耗大幅增加。在變換器輸出的PWM電壓方面，傳統(tǒng)的兩電平Buck變換器產(chǎn)生的dv/dt高，勢必 引起嚴(yán)重的電磁干擾。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高效、低成本三電平Buck直流變換方法及實(shí)施 裝置，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法，借助于如下 裝置實(shí)現(xiàn)電源負(fù)極接一個(gè)二極管的正極，所述二極管的負(fù)極接串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的 發(fā)射極，串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極接電源正極，電源正極接另一個(gè)二極管的負(fù)極，所 述另一個(gè)二極管的正極連接另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極，所述另一串接的兩個(gè)功 率開關(guān)管的發(fā)射極接電源負(fù)極，所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極和所述另一串接的兩 個(gè)功率開關(guān)管的集電極間串接一個(gè)濾波電感和一個(gè)濾波電容，在所述濾波電容兩端間接負(fù) 載，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)連接兩個(gè)正向串接的二極管的正極，兩個(gè)正 向串接的二極管的負(fù)極連接到所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)，在電源正負(fù)極間串接 兩個(gè)電容，串接兩個(gè)電容的中間連接點(diǎn)和前述兩個(gè)正向串接的二極管的串接點(diǎn)間短接，所
4述方法包括如下步驟(1)根據(jù)高的直流降壓比，確定兩對串接的功率開關(guān)管對應(yīng)的調(diào)制波的調(diào)制度，即 可確定功率開關(guān)相應(yīng)的占空比；(2)確定每個(gè)功率開關(guān)管對應(yīng)的載波以及載波的相位；(3)根據(jù)變換器輸出電平電壓，在一個(gè)載波周期內(nèi)，確定調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較 規(guī)則I ；(4)以直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容充放電工況一致為原則，確定相鄰的下一個(gè)載波周 期內(nèi)，調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則II ；(5)相鄰載波周期內(nèi)，交錯(cuò)實(shí)施(3)和⑷中的兩種比較規(guī)則，一方面實(shí)現(xiàn)輸出三 電平窄脈沖電壓，另一方面實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)串聯(lián)電容電壓的平衡。所述調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則I是，適當(dāng)調(diào)整功率開關(guān)管至較寬的脈沖寬 度，而得到窄脈沖輸出電壓，并且在得到同一輸出電壓時(shí)，ma-mb有無窮組合，只要滿足ma >mb，ma為串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，mb為另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的 調(diào)制波的調(diào)制度。
調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則II是
if^>^ar erl,then S^O
腿2，thenS2 = l
if^>^ar erl,then S3=l if d2，then S4=0
式中，ma為串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，mb為另一串接的兩個(gè)功率 開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，Ucarrierl為一個(gè)載波的瞬時(shí)值，Ucarrier2為另一個(gè)載波的瞬 時(shí)值，S1-S4為四個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。一種X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法的實(shí)施裝置，包括，電源負(fù)極接一 個(gè)二極管的正極，所述二極管的負(fù)極接串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極，串接的兩個(gè)功率 開關(guān)管的集電極接電源正極，電源正極接另一個(gè)二極管的負(fù)極，所述另一個(gè)二極管的正極 連接另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極接電 源負(fù)極，所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極和所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極 間串接一個(gè)濾波電感和一個(gè)濾波電容，在所述濾波電容兩端間接負(fù)載，所述另一串接的兩 個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)連接兩個(gè)正向串接的二極管的正極，兩個(gè)正向串接的二極管的負(fù)極 連接到所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)，在電源正負(fù)極間串接兩個(gè)電容，串接兩個(gè)電 容的中間連接點(diǎn)和前述兩個(gè)正向串接的二極管的串接點(diǎn)間短接。本發(fā)明具備如下技術(shù)效果1、本發(fā)明采用直流側(cè)串聯(lián)電容通過二極管對關(guān)斷功率開關(guān)進(jìn)行箝位，使得功率開 關(guān)降低了一半的電壓應(yīng)力，可以選擇低耐壓的功率開關(guān)，進(jìn)而降低開關(guān)損耗，并降低成本；2、本發(fā)明中采用三電平PWM電壓輸出，可有效降低dv/dt。由于采用左右半橋分別 獨(dú)立控制，在要求大的直流降壓比的條件下，無需降壓變壓器，可以通過左右半橋輸出的較 寬脈沖電壓之差得到窄脈沖電壓，從而避免了直接由窄脈沖門控信號控制功率開關(guān)產(chǎn)生窄 脈沖輸出電壓，使得功率開關(guān)不必工作在過極限狀態(tài)。
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圖1是本發(fā)明的X型對稱H橋三電平Buck變換器拓?fù)?。圖2是X型對稱H橋三電平Buck變換器工作原理圖。圖3是一個(gè)載波周期內(nèi)變換器控制方法說明圖。圖4是兩個(gè)相鄰載波周期內(nèi)變換器控制方法說明圖。上述附圖中主要符號名稱Uin為直流變換器輸入直流電壓，C1、C2為直流輸入側(cè) 等容量串聯(lián)分壓電容，S1-S4為可控功率開關(guān)，Dl、D3為高耐壓功率二極管，D2、D4為箝位 二極管，Lf為直流變換器輸出濾波電感，Cf為濾波電容，Uab為直流變換器輸出電壓，Uo為 濾波器輸出電壓；tonl、ton3分別為功率開關(guān)S1、S3在一個(gè)載波周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，T為載 波周期，ma.mb分別為兩對串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的直流輸入電壓可以為高壓直流電源，輸出電壓為數(shù)值可調(diào)的低壓直流 電。本發(fā)明提出的三電平Buck直流變換器，包括輸入直流電源和輸出濾波電路，輸入直流 電源經(jīng)過兩個(gè)容量值相等的串聯(lián)電容，將輸入直流電壓分成三個(gè)電平；X型對稱H橋左半 橋的上橋臂由兩個(gè)功率開關(guān)串聯(lián)，通過一個(gè)箝位二極管與直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容的中點(diǎn)相 連，使得串聯(lián)的功率開關(guān)在關(guān)斷時(shí)承受對應(yīng)的串聯(lián)電容的電壓應(yīng)力，下橋臂為一個(gè)高耐壓 功率二極管；右半橋與左半橋?yàn)閄型對稱半橋，即其上橋臂為一個(gè)高耐壓功率二極管，下橋 臂為兩個(gè)串聯(lián)的功率開關(guān)且通過箝位二極管與直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容的中點(diǎn)相連；高耐壓 功率二極管和箝位二極管均可以起續(xù)流作用；左右半橋的輸出端均可輸出三電平電壓，其 差即為X型對稱H橋輸出的三電平窄脈沖直流電壓，左右半橋的輸出端經(jīng)過由濾波電感、濾 波電容串聯(lián)的濾波電路，在濾波電容兩端得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，為負(fù)載提供能量。本發(fā)明中，針對X型對稱H橋三電平Buck直流變換器提出的控制方法的實(shí)現(xiàn)，有 以下步驟。(1)左右半橋的可控功率開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立控制，根據(jù)直流降壓比，確定左右半橋各自 的調(diào)制度(確定對應(yīng)功率開關(guān)的占空比)。(2)確定每個(gè)功率開關(guān)對應(yīng)的載波以及載波的相位。(3)根據(jù)變換器輸出電平電壓，在一個(gè)載波周期內(nèi)，確定調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較 規(guī)則I。(4)以直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容充放電工況一致為原則，確定相鄰的下一個(gè)載波周 期內(nèi)，調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則II。(5)相鄰載波周期內(nèi)，交錯(cuò)實(shí)施(3)和⑷中的兩種比較規(guī)則，一方面實(shí)現(xiàn)輸出三 電平窄脈沖電壓，另一方面實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)串聯(lián)電容電壓的平衡。本發(fā)明中控制方法的以上步驟，必須在左半橋調(diào)制波的調(diào)制度大于右半橋調(diào)制波 的調(diào)制度的情況下實(shí)施，其原理和方法的具體實(shí)現(xiàn)在后文中詳細(xì)介紹。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。下面以圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖2-圖4，對本發(fā)明的原理及最佳實(shí)施方式進(jìn)行說 明。圖2為其輸出三種電平電壓的工作原理圖，變換器輸出三種電平電壓時(shí)共有以下六種 情況(僅考慮電流連續(xù)狀態(tài))
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(1)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 1111時(shí)，輸出電平電壓為Uin，串聯(lián)電容C1、 C2的工況一致。(2)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 1110時(shí)，輸出電平電壓為Uin/2，箝位二極 管D4續(xù)流，僅有電容C1為負(fù)載提供能量。(3)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 0111時(shí)，輸出電平電壓為Uin/2，箝位二極 管D2續(xù)流，僅有電容C2為負(fù)載提供能量。(4)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 0110時(shí)，輸出電平電壓為0，箝位二極管D2、
D4續(xù)流。(5)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 0011時(shí)，輸出電平電壓為0，功率二極管D1續(xù)流。(6)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)S1S2S3S4 = 1100時(shí)，輸出電平電壓為0，功率二極管D3續(xù)流。情況(4)-(6)下，串聯(lián)電容C1、C2的工況一致。根據(jù)圖2，得到一個(gè)載波周期內(nèi)變換器的控制方法(對應(yīng)于圖3，采用比較規(guī)則I)，
在負(fù)載電流連續(xù)的情況下，一個(gè)載波周期內(nèi)，濾波電感的電流IL不變，且其充電儲存的能
量與放電釋放的能量相等，則有如下數(shù)學(xué)關(guān)系U.U。xILx(tom +tom) = (-^-U0)xILx(tonl-tom) (1)從而得到圖1拓?fù)涞妮敵鲭妷号c輸入電壓的關(guān)系式U。= 0in(ma-mb) (2)上式說明，要求變換器輸出低壓直流電時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整功率開關(guān)SI、S3較寬的 脈沖寬度，而得到窄脈沖輸出電壓，并且在得到同一輸出電壓時(shí)，(ma-mb)有無窮組合，只要 滿足ma > mbo以ma = 0. 8，mb = 0. 6為例，由于圖3中的控制方法使得變換器輸出電平電壓為 Uin/2時(shí)，只有串聯(lián)電容C1放電為負(fù)載提供能量，若每個(gè)載波周期都采用這種控制方法，會 導(dǎo)致串聯(lián)電容電壓不平衡而使變換器不能正常工作。本發(fā)明提出一種相鄰載波交錯(cuò)獨(dú)立控 制方法，如圖4所示。在第n個(gè)載波周期，載波carrierl位于上層，載波carried位于下 層，調(diào)制波Va和Vb滿足ma > mb分別對左右半橋進(jìn)行獨(dú)立控制，比較規(guī)則I為
'if^>^ar erl,then S1=l
「m,。l if 乂 >f/carner2，thdl S2 = li(3)
if b>^ar erl,then S3=0
、ifA>KamCT2，then S4=0UcarrierU Ucarrier2分別為兩個(gè)載波的瞬時(shí)值，因此，在第n個(gè)載波周期，變換 器的功率開關(guān)狀態(tài) S1S2S3S4 依次為1100-1110-0110-1110-1100，屬于情況(2)、(4)、(6)， 由串聯(lián)電容C1放電為負(fù)載提供能量。在第(n+1)個(gè)載波周期，載波carrierl交錯(cuò)分布到 下層，載波carried交錯(cuò)到上層，且比較規(guī)則II為
權(quán)利要求
一種X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法，其特征是，借助于如下裝置實(shí)現(xiàn)電源負(fù)極接一個(gè)二極管的正極，所述二極管的負(fù)極接串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極，串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極接電源正極，電源正極接另一個(gè)二極管的負(fù)極，所述另一個(gè)二極管的正極連接另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極接電源負(fù)極，所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極和所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極間串接一個(gè)濾波電感和一個(gè)濾波電容，在所述濾波電容兩端間接負(fù)載，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)連接兩個(gè)正向串接的二極管的正極，兩個(gè)正向串接的二極管的負(fù)極連接到所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)，在電源正負(fù)極間串接兩個(gè)電容，串接兩個(gè)電容的中間連接點(diǎn)和前述兩個(gè)正向串接的二極管的串接點(diǎn)間短接，所述方法包括如下步驟(1)根據(jù)高的直流降壓比，確定兩對串接的功率開關(guān)管對應(yīng)的調(diào)制波的調(diào)制度，即可確定功率開關(guān)相應(yīng)的占空比；(2)確定每個(gè)功率開關(guān)管對應(yīng)的載波以及載波的相位；(3)根據(jù)變換器輸出電平電壓，在一個(gè)載波周期內(nèi)，確定調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則I；(4)以直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容充放電工況一致為原則，確定相鄰的下一個(gè)載波周期內(nèi)，調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則II；(5)相鄰載波周期內(nèi)，交錯(cuò)實(shí)施(3)和(4)中的兩種比較規(guī)則，一方面實(shí)現(xiàn)輸出三電平窄脈沖電壓，另一方面實(shí)現(xiàn)直流輸入側(cè)串聯(lián)電容電壓的平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法，其特征是， 所述調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則I是，適當(dāng)調(diào)整功率開關(guān)管至較寬的脈沖寬度，而得到 窄脈沖輸出電壓，并且在得到同一輸出電壓時(shí)，ma-mb有無窮組合，只要滿足ma > mb，ma為 串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，mb為另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào) 制度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法，其特征是， 調(diào)制波與對應(yīng)載波的比較規(guī)則II是'if^>^ar erl,then S^Oif^Z^amemthenSfl<if b>^amerl，then S3=l、ifA>KamCT2，then S4=0式中，ma為串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，mb為另一串接的兩個(gè)功率開 關(guān)管的調(diào)制波的調(diào)制度，Ucarrierl為一個(gè)載波的瞬時(shí)值，Ucarrier2為另一個(gè)載波的瞬時(shí) 值，S1-S4為四個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)。
4.權(quán)利要求1所述的一種X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法的實(shí)施裝置，其特征是，包括，電源負(fù)極接一個(gè)二極管的正極，所述二極管的負(fù)極接串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極，串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極接電源正極，電源正極接另一個(gè)二極管的負(fù)極，所述另一個(gè)二極管的正極連接另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極接電源負(fù)極，所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的發(fā)射極和所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的集電極間串接一個(gè)濾波電感和一個(gè)濾波電容，在所述濾波電容兩端間接負(fù)載，所述另一串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)連接兩個(gè)正向串接的二極管的正極，兩個(gè)正 向串接的二極管的負(fù)極連接到所述串接的兩個(gè)功率開關(guān)管的串接點(diǎn)，在電源正負(fù)極間串接 兩個(gè)電容，串接兩個(gè)電容的中間連接點(diǎn)和前述兩個(gè)正向串接的二極管的串接點(diǎn)間短接。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率變換技術(shù)領(lǐng)域。為提供高效、低成本電平Buck直流變換方法及實(shí)施裝置，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是X型對稱H橋三電平Buck變換器控制方法及實(shí)施裝置，輸入直流電源經(jīng)過兩個(gè)容量值相等的串聯(lián)電容分成三個(gè)電平；X型對稱H橋左半橋的上橋臂由兩個(gè)功率開關(guān)串聯(lián)，通過一個(gè)箝位二極管與直流輸入側(cè)的串聯(lián)電容的中點(diǎn)相連，下橋臂為一個(gè)高耐壓功率二極管；右半橋與左半橋?yàn)閄型對稱半橋；左右半橋的輸出端均可輸出三電平電壓，其差即為X型對稱H橋輸出的三電平窄脈沖直流電壓，左右半橋的輸出端經(jīng)過由濾波電感、濾波電容串聯(lián)的濾波電路，在濾波電容兩端得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，為負(fù)載提供能量。本發(fā)明主要應(yīng)用于穩(wěn)定的直流輸出電壓。
文檔編號H02M3/07GK101951145SQ20101026949
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月1日
發(fā)明者史婷娜, 夏長亮, 張?jiān)?申請人:天津大學(xué)