三電平直流變換器研究報告

1、-電 子 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計論 文論文題目： 三電平直流變換器研究學(xué)習(xí)中心： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 學(xué)生： 學(xué) 號: 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)及自動化 電子科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院制網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年 03月 25日. z-電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文任務(wù)書題目全稱：三電平直流變換器研究任務(wù)與要求：本人按論文指導(dǎo)教師的要求在規(guī)定時間，按質(zhì)按量地完成畢業(yè)論文的撰寫，在閱讀大量相關(guān)參考文獻的根底上形成自己的寫作思想，并對論文的布局謀篇進展認真的思考和分析，在寫作中形成個人正確的思想和觀點。論文的格式要完全符合電子科技大學(xué)的要求。時間： 2021 年 2 月 1 日 至 2021 年 4 月 25

2、日 共 12 周教學(xué)單位：學(xué)生：學(xué) 號：專業(yè)： 電力系統(tǒng)及自動化指導(dǎo)教師：職 稱：電子科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院制網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院2021年 03月25日畢業(yè)設(shè)計(論文)進度方案表日 期工 作 容執(zhí) 行 情 況指導(dǎo)教師簽 字2月2日至3月9日論文選題符合專業(yè)要求王哲*月*日至*月*日查閱相關(guān)參考文獻已查閱相關(guān)文獻10篇王哲*月*日至*月*日規(guī)劃論文框架構(gòu)造，制定論文提綱已按要求寫出題綱王哲*月*日至*月*日撰寫論文初稿并交教師修改初稿指導(dǎo)教師已查閱修改王哲*月*日至*月*日將論文各個局部對照論文寫作要求一一核對修改已按要求進展核對修改王哲*月*日至*月*日定稿并打印交指導(dǎo)教師已按要求打印交給指導(dǎo)教師王哲

3、教師對進度方案實施情況總評已按上述時間工作容執(zhí)行、執(zhí)行情況良好。簽名:2021年 11 月 16 日 本表作評定學(xué)生平時成績的依據(jù)之一。. z-摘要由于三電平直流變換器可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，實現(xiàn)主開關(guān)管的軟開關(guān)，近年來逐漸成為電力電子技術(shù)的一個研究熱點。本文在前人的研究成果根底上，提出了根本三電平單元的概念，并將之應(yīng)用到所有的直流變換器中，由此得到一族的三電平直流變換器，使三電平直流變換器的研究走向系統(tǒng)化。在這些變換器中，如果采用適當(dāng)?shù)目刂品桨福丝梢越档妥儞Q器開關(guān)管電壓應(yīng)力外，局部變換器還可以在輸出濾波器上得到三電平電壓波形，大大改善了濾波器的工作條件。關(guān)鍵詞三電平直流變換器；軟開關(guān)；

4、電壓；濾波器AbstractThe three level DC converter can reduce the voltage stress of the switches, the realization of soft switching of the main switch, in recent years has bee a hot research topic of power electronic technology. In this paper, on the basis of previous research results, put forward the conce

5、pt of three basic level unit, and applies to all of the DC converter, thus obtains three level DC converter family, make the research on three level DC converter to systematic. In these converters, if adopting proper control strategy, not only can reduce converter voltage stress of the switches, par

6、t of converter can also get three level voltage waveform at the output filter, the filter greatly improved working conditions.KEY WORDThree level DC converter； soft switching； voltage； filter目錄第一章緒論1第二章三電直流變換器的開展3第三章三電平直流變換器的推導(dǎo)6第一節(jié)三電平變換器的推導(dǎo)步驟6第二節(jié)一族三電平變換器7第四章 Buck TL變換器的工作原理9第一節(jié)三電平模式9第二節(jié)兩電平模式11完畢語13辭

7、14參考文獻15. z-第一章 緒論1981年，日本的Akira Naba。教授提出了中點箱位逆變器(Neutral-Point- Clamped Inverter, NPC逆變器)，如圖1-1(a)所示，它是在傳統(tǒng)的三相橋式逆變器中增加了虛線所示的兩個分壓電容，在每一橋臂增加了兩只開關(guān)管和兩只中點箱位二極管。該逆變器每個橋臂的輸出可以得到Vm、Vm/2、0三個電平，因此該電路也稱三電平逆變器(Three-Levellnverter, TL逆變器)。傳統(tǒng)的逆變器每個橋臂只能輸出Vm和0兩個電平，故可稱為兩電平逆變器。與兩電平逆變器相比，TL逆變器大大減小了輸出電壓中的高次諧波，波形如圖1-1(

8、b)。同時，該電路還有另一個優(yōu)點:開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓的一半。(a)主電路 b主要波形圖1一1 TL逆變器隨著通訊、計算機行業(yè)的蓬勃開展，電源設(shè)備具有更好的環(huán)保性能成為電力電子技術(shù)的一個重要的開展方向，一些世界性的學(xué)術(shù)組織和國家還公布或?qū)嵤┝艘恍┹斎腚娏髦C波限制標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555-2, IEEE519, IEC1000-3-2等。為了得到好的環(huán)保性能，其中很重要的一點就是減少電源設(shè)備對交流電網(wǎng)的諧波污染，通常的做法是采用功率因數(shù)校正技術(shù)(Power Factor Correction, PFC)。中、大功率的高頻開關(guān)電源一般為三相380VAC±20%輸入，整流后的直流母線電壓最

9、高將會到達640V左右；如果采用三相PFC技術(shù)，直流母線電壓通常會到達760-800 VDC，甚至要到達1000VDC以上。這使得后級直流變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力大大增加，給器件的選取帶來了困難。為了解決這個問題，巴西的Jose Renes Pinheiro利用TL逆變器可以減小開關(guān)管電壓應(yīng)力的特點，提出了零電壓開關(guān)PWM三電平直流變換器(Zero-Voltage-Switching PWMThree-Level Converter, ZVS PWM TL變換器)，如圖1-2所示。比較圖1-2與圖1-1(a)可知，ZVS PWM TL變換器中陰影局部實際上是TL逆變器的一個橋臂，因此我們稱之為“

10、三電平直流變換器。該變換器電路構(gòu)造簡單，四只開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半，并且可以實現(xiàn)ZVS，非常適用于高輸入電壓，中、大功率的應(yīng)用場合。第二章三電直流變換器的開展圖2-1所示的ZVS PWM TL變換器的四只開關(guān)管利用變壓器漏感儲能來實現(xiàn)軟開關(guān)，但存在以下問題:l)里面兩只開關(guān)管(Q2和Q3)輕載時不能實現(xiàn)ZVS；2)為了在較寬負載圍實現(xiàn)軟開關(guān)，需要加大漏感或串入諧振電感，這將造成占空比喪失，降低了電壓利用率；3)輸出整流二極管存在反向恢復(fù)，存在電壓尖峰；4)在每次開關(guān)過程中，四只開關(guān)管的寄生電容均參與諧振，難以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)以實現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。圖2-1 ZVS PWM TL變換器為了解

11、決在每次開關(guān)管開關(guān)時四只開關(guān)管的寄生電容均參與諧振的問題，美國電力電子系統(tǒng)中心(CenzerforpowerElectronicsSysrems，CPES)的FCanales在電路中增加了一個飛跨電容(Flying capacitor)，如圖2-1中虛線所示的電容Css，由此將外面兩只開關(guān)管的開關(guān)過程與里面兩只開關(guān)管的開關(guān)過程解禍，也就是說，外面開關(guān)管開關(guān)時，里面兩只開關(guān)管的結(jié)電容不參與諧振工作:而里面開關(guān)管開關(guān)時，外面兩只開關(guān)管的結(jié)電容不參與諧振工作，這樣可以分別討論外面兩只開關(guān)管和里面兩只開關(guān)管的工作情況，并且可以采用移相控制方法。為了使里面兩只開關(guān)管在寬負載圍實現(xiàn)ZVS，Pinhoiro

12、在電路中增加了一個由La、Ca1、Ca2:組成的輔助網(wǎng)絡(luò)，利用La的能量幫助漏感來實現(xiàn)里面兩只開關(guān)管的ZVS4，如圖2-2所示。圖2-2增加輔助網(wǎng)絡(luò)的ZVS PWM TL變換器由于里面兩只開關(guān)管實現(xiàn)ZVS困難，F(xiàn)Canales提出了一種零電壓零電流開關(guān)(Zero一Volrage and Zero-Current-switching,ZCZCS)PWM TL變換器，如圖2-3所示。電路在副邊增加了一個有源箱位電路(由Qc:和Cc組成)，利用Cc的電壓使原邊電流降到零，為Q2和Q33提供了ZCS條件。有源箱位電路還可以消除整流二極管的電壓尖峰。該變換器在寬負載圍實現(xiàn)了外面兩只開關(guān)管的ZVS和里面兩

13、只開關(guān)管的ZCS。但Qc需要相應(yīng)的控制電路和隔離驅(qū)動，電路較為復(fù)雜。圖2-3 加有源箱位電路的ZVZ PWM TL變換器TL變換器的軟開關(guān)技術(shù):提出了九種PWM控制策略，引入了超前管(外面兩只開關(guān)管Q1和Q4)和滯后管(里面兩只開關(guān)管Q2和Q3)的概念，指出超前管只能實現(xiàn)ZVS，滯后管可以實現(xiàn)ZVS或ZCS，由此將軟開關(guān)PWM TL變換器分為ZVS和ZVZCS兩類，并在此根底上提出一種新型ZFZCS PWM TL變換器，如圖2-4所示。該變換器通過阻斷電容Cb和滯后管的串聯(lián)二極管使原邊電流在零狀態(tài)減小到零并保持在零，為滯后管提供ZCS寫的條件。圖2-4 加串聯(lián)二極管的ZVZCS PWM TL變

14、換器第三章三電平直流變換器的推導(dǎo)第一節(jié) 三電平變換器的推導(dǎo)步驟所有直流變換器的TL構(gòu)造，包括Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta等六種不隔離的TL變換器和正激、反激、推挽、全橋等隔離的TL變換器。在這些變換器中，開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為其根本電路的一半。下面以BuckTL變換器為例闡述TL變換器的推導(dǎo)步驟。步驟1:將根本變換器中的開關(guān)管替換為相互串聯(lián)的兩只開關(guān)管，如將Q替換為Q1，和Q2，如圖3-1(b)所示:步驟2:尋找或構(gòu)成箱位電壓源。分析根本變換器中開關(guān)管的電壓應(yīng)力，如果在變換器中存在與開關(guān)管的電壓應(yīng)力相等的電壓，就可以以此電壓作為箱位電壓源，否則則需在變

15、換器中構(gòu)成一個箱位電壓源。當(dāng)尋找到或構(gòu)成箱位電壓源后，將其分為兩個相等的電壓源(用兩個相等的電解電容相串聯(lián))。在Buck變換器中，開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸入電壓Vm，則可用兩個容量相等的電容Qd1和Cd2將輸入電壓一分為二，得到兩個電壓為Vm/2的電壓源，如圖3-1(c)所示:步驟3:從箱位電壓源的中點引入一只箱位二極管到兩只開關(guān)管的中點，箱位二極管的放置與兩只開關(guān)管與箱位電壓源聯(lián)結(jié)的地方有關(guān)。如果開關(guān)管的流入極與箱位電壓源的正極相連，則箱位二極管的陽極與箱位電壓源的中點相連，構(gòu)成一個陽極單元;如果開關(guān)管的的流出極與箱位電壓源的負極相連，則箱位二極管的陰極與箱位電壓源的中點相連，構(gòu)成一個陰極單元。

16、圖3-1(d)所示為一個由陽極根本單元構(gòu)造的Buck TL變換器。圖3-1 Buck TL變換器的推導(dǎo)過程第二節(jié) 一族三電平變換器按照上述的步驟，我們可以推出所有根本變換器的三電平拓撲構(gòu)造。圖3-2給出的是不隔離的6種變換器的三電平電路。對于Boost變換器，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為輸出電壓Vo，因此其箱位電壓源直接利用輸出電壓。對于Cuk變換器，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力為Vrn+Vo，而電容C，上的電壓剛好為Vrn+ Vo，這樣可以選擇它為箱位電壓源。對于BucklBoost變換器、Sepic變換器和Zeta變換器，其開關(guān)管的電壓應(yīng)力均為Vm+Vo，而變換器中沒有電容電壓為Vrn+vo，因此必須構(gòu)造一

17、個箱位電壓源。在Buck/Boost變換器中，輸入與輸出之間的電壓為Vrn+Vo，在兩者之間跨接兩個容量相等的電容Cd1和Cd2，則構(gòu)成了箱位電壓源。在Sepic變換器中，電容Cb的電壓為Vrn ,則VAB=Vm+vo，在A, B兩點跨接兩個容量相等的電容Cd1和Cd2，則構(gòu)成一個箱位電壓源。同樣的，Zeta變換器中電容Cb的電壓為Vo，則VAB=Vrn+vo，在A.、B兩點跨接兩個容量相等的電容Cd1和Cd2，則構(gòu)成了箱位電壓源。圖3-3給出的是隔離變換器的三電平電路。對于Forward變換器而言，如果復(fù)位繞組匝數(shù)與原邊繞組匝數(shù)相等，則開關(guān)管的電壓應(yīng)力為2Vm，這時可選擇輸入電壓為箱位電壓源

18、。Flyback變換器開關(guān)管的電壓應(yīng)力為Vm+(Np/Ns)Vo，為了得到(Np/Ns)Vo，將變壓器原邊繞組拆為兩個匝數(shù)相等的繞組，由于對稱，箱位二極管D1可以改變方向。對于Push-Pull變換器，其箱位電壓源就是輸入電壓。半橋變換器的三電平構(gòu)造前面己提到，而全橋變換器則與半橋變換器類似，這里不再贅述。圖3-2 不隔離的6種TL變化器圖3-3 隔離的TL變換器第四章 Buck TL變換器的工作原理在分析之前，做如下假設(shè):所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件;Cd1=Cd2眾且足夠大，均分輸入電壓，可以看成兩個電壓為從戶的電壓源:輸出電容足夠大，等效為電壓源Vo。第一節(jié) 三電平模式當(dāng)輸

19、入電壓較低或輸出電壓較高時，開關(guān)管的占空比大于0.5，電路工作在3L模式，主要波形如圖4-1(a)。在一個開關(guān)周期，電路存在四個開關(guān)模態(tài)，各模態(tài)描述如下:a、開關(guān)模態(tài)lt0,t1圖4-2(a)Q1、Q2同時導(dǎo)通，AB兩點間電壓為輸入電壓Vm。濾波電感Lf的電流線性增加。(4-1)圖4-1 Buck TL 變換器主要波形b、開關(guān)模態(tài)2tl，t2圖4-1(b)t、時刻關(guān)斷Q1,D1導(dǎo)通。VAB=VM/2,Q1兩端電壓為Vm/2。Lf電流線性下降:(4-2)T2時刻開通Q1，電路進入開關(guān)模態(tài)3。開關(guān)模態(tài)3與開關(guān)模態(tài)1一樣。t3時刻關(guān)斷Q2，進入開關(guān)模態(tài)4，電路工作情況同開關(guān)模態(tài)2類似，此處不再贅述。

20、 由圖4-1(a)可知:(4-3)(4-4)(4-5)其中，Ts=1/fs是開關(guān)周期，fs是電路的開關(guān)頻率;Ton為開關(guān)管的導(dǎo)通時間，Toff為開關(guān)管的截止時間，定義D=Ton/Ts為占空比;Ilfmn_3L為3L模式下的最小電感電流，1Lfma*_3L為3L模式下的最大電感電流。(4-5)(4-6)圖4-2 3L模式下的等效電路第二節(jié) 兩電平模式當(dāng)輸入電壓較高或輸出電壓較低時，開關(guān)管的占空比將會小于0.5，電路工作在2L模式，主要波形如圖4-1(b)所示。一個開關(guān)周期包括4個開關(guān)模態(tài)。a、開關(guān)模態(tài)1t0,t1圖4-3(a)Q2導(dǎo)通，D1導(dǎo)通，VAB=Vm/2,D2上的電壓為Vm/2(4-7)圖4-3 2L模式的等效電路b、開關(guān)模態(tài)2t1,t2圖4-3(b)t，時刻關(guān)斷Q2,D1、D2導(dǎo)通，電路進入開關(guān)模態(tài)2。VAB=0，Q1、Q2兩端電壓均為Vin/2。4-8T2時刻開通Q1，電路進入開關(guān)模態(tài)3。開關(guān)模態(tài)3與開關(guān)模態(tài)l相類似。幾時刻關(guān)斷Q1，電路進入開關(guān)