[發明專利]一種雙向多電平升降壓變換器及其控制方法

有效

• 申請號: 201310695247.5
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103746557B
• 公開（公告）日: 2017-06-16
• 發明（設計）人: 徐林;耿攀;楊文鐵;姚川;徐正喜;陳濤;魏華;楊勇;余定峰;左超;孫瑜;羅偉;吳浩偉;謝煒;姜波;邢賀鵬;李小謙;孫朝暉;李可維;吳大立;潘德華;汪曉峰;蔡凱;黃超;周樑;余躍聽;雷津;袁陽
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團公司第七一九研究所
• 主分類號: H02M3/156
• 分類號: H02M3/156
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理事務所(普通合伙)11457
• 代理人: 王慶海

技術領域

本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種適用于高壓大功率場合的雙向多電平升降壓變換器及其控制方法。

背景技術

隨著電力電子技術的發展，對電能變換裝置的要求越來越高，其中變換器的高效率、高功率密度一直是電力電子技術發展的趨勢之一。在高壓大功率應用場合，受限于開關器件承受的高電壓應力，開關頻率難以提高，導致系統體積大、效率低。如何保證在高壓大功率場合下實現電能變換裝置的高效率、高功率密度就顯得至關重要。

目前很多應用場合，如艦船綜合電力系統、新能源發電系統中的儲能電站、大容量UPS供電系統、城市軌道交通、高速鐵路電氣等，都需要電力電子變換器具備能量雙向流動，并且同時具備升壓和降壓功能。因此，有必要研究高壓大功率場合下，電力電子變換器雙向升降壓拓撲結構和控制方法。

目前較為成熟的雙向升降壓變換器包括雙向兩電平變換器和雙向三電平變換器。目前得到應用的雙向兩電平升降壓直流變換器中，雙向Buck-Boost變換器的開關管電壓應力為輸入電壓或輸出電壓，但在任意一個能量流動方向上不能同時實現升壓和降壓變換；雙向Cuk變換器和雙向Sepic-Zeta能在兩個方向上同時實現升壓和降壓變換，但是開關管的電壓應力高，不適合高壓應用場合；四開關Buck-Boost變換器變換器輸入與輸出同極性，開關管電壓應力為輸入電壓或輸出電壓，能在兩個方向上同時實現升壓和降壓變換，并且能在寬輸入電壓范圍內實現高效率電能變換。上述幾種變換器各有優劣，但是開關器件承受的電壓應力仍然較高。例如艦船綜合電力系統中，為滿足全電力推進，直流母線電壓高達3000V～6000V，高速鐵路電氣中直流母線電壓為DC2160V～2600V，城市軌道交通的電源電壓通常采用DC750V或DC1500V，在這些應用場合，即使是采用四開關Buck-Boost變換器，開關器件承受的電壓應力還是很高，仍然限制了開關器件的選擇和頻率的提升。

三電平直流變換器具有開關管電壓應力低，輸入和輸出濾波器體積小等優點，適用于高輸入或輸出電壓的功率變換場合。具有雙向升降壓功能的三電平直流變換器，并且得到應用的主要有：雙向三電平Buck變換器和雙向三電平Boost變換器。雙向三電平Buck變換器的開關管電壓應力為輸入電壓的一半，雙向三電平Boost變換器的開關管電壓應力為輸出電壓的一半，這兩種拓撲很適合高壓場合，但是雙向三電平Buck變換器和雙向三電平Boost變換器只能在一個方向上實現升壓或降壓的變換。

此外，具有雙向升降壓功能的變換拓撲還有帶高頻隔離變壓器的DC/DC變換器，主要包括雙向正激變換器、雙向反激變換器、雙端有源橋變換器等。其中雙向正激變換器、雙向反激變換器主要應用在中小功率場合，而雙端有源橋變換器主要適用于中等功率場合，如果需要在大功率場合應用，需要多個變換器并聯工作，工程實現困難。

發明內容

本發明的目的是針對高壓大功率，并且需要能量雙向流動的場合，提出適用的雙向多電平變換器及相應的控制方法。

本發明具體的技術方案為一種雙向多電平升降壓變換器，其特征在于包括雙向三電平單元A、雙向三電平單元B、電感L_b及控制系統，雙向三電平單元A包括開關管T₁、開關管T₂、開關管T₃、開關管T₄及分壓電容C_b1、C_b2；雙向三電平單元B包括開關管T₅、開關管T₆、開關管T₇、開關管T₈及分壓電容C_b3、C_b4，