一种三相三电平dab变换器
阅读说明：本技术 一种三相三电平dab变换器 (Three-phase three-level DAB converter ) 是由 刘金路 陈文洁 杨旭 马鑫 闫瑞涛 张茹 周永兴 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三相三电平DAB变换器,属于电力电子研究领域,变换器两侧结构对称,分别由三个飞跨电容桥臂组成,两侧经变压器连接,电气隔离,能够实现能量双向流动,这种桥臂结构,能够在同样的电压场景下应用耐压较低、性能较好,开关速度更快、导通损耗更小的开关管,三相结构适用于大功率工况,同等功率下,每相分担的电流更小；本发明通过对此变换器的建模和分析,设计提出调制策略。灵活的桥臂状态切换使变换器工作在宽范围调压状态时,效率更高,性能更好,实验证明了该拓扑和调制策略的有效性。(The invention discloses a three-phase three-level DAB converter, which belongs to the field of power electronic research, wherein the two side structures of the converter are symmetrical and respectively consist of three flying capacitor bridge arms, the two sides of the converter are connected through a transformer and are electrically isolated, and energy bidirectional flow can be realized; the invention designs and provides a modulation strategy through modeling and analyzing the converter. When the converter works in a wide-range voltage regulation state due to flexible bridge arm state switching, the efficiency is higher, the performance is better, and the effectiveness of the topology and the modulation strategy is proved by experiments.)
技术领域
本发明属于电力电子研究领域，公开了一种三相三电平DAB拓扑，适用于宽范围调压应用场景。
背景技术
近年来，新能源技术不断发展。新能源接入交流电网一般需要一个逆变装置将直流转化成交流。相较于交流电网，直流电网不需要逆变装置，更有利于新能源的接入。此外，直流电网不存在频率同步，无功功率等问题，具有更高的效率。
光伏、风电等新能源受外界环境的影响较为明显，具有较大的波动性，如果不加以控制，会影响电网安全稳定运行。直流电网中的储能装置能够在必要时吸收能量或者向电网回馈能量。电动汽车电池容量较大，而且闲置时接入电网的时间较长，是一种较好的储能装置。合理控制电动汽车和电网之间的能量互动有助于电网稳定运行。电动汽车动力电池在充电和放电过程中电压变化范围较大，需求一种能够在调压的情景下性能较好的变换器，实现电动汽车和直流电网之间的能量互动。
三电平桥臂结构能够让每个晶体管承受的电压更低，相较于两电平结构，能够在相同的电压等级下使用电压等级更低的晶体管。这种晶体管开关速度更快，导通电阻更小。并且三电平桥臂结构灵活的开关组合适合大范围调压的应用场景。
本文提出一种三相三电平DAB(Dual Active Bridge)变换器拓扑。适用于电动汽车和直流电网之间的能量交互。
发明内容
为了优化电动汽车和电网之间的能量交互，本发明设计了三相三电平DAB变换器拓扑。
本发明的内容包括：
提出一种三相三电平DAB变换器拓扑；
分析飞跨电容桥臂工作状态；
提出一种使电感电流有效值最小的调制策略
对所提出三相三电平DAB变换器进行实验，搭建样机，验证了所提拓扑结构的正确性和调制策略的正确性。
本发明采用的技术方案是这样实现的：
飞跨电容桥臂的结构(以原边侧A相为例)：开关管S1的源极和上母线相连，开关管S1的漏极和开关管S2的源极相连。S2的源极和S3的漏极相连，S3的漏极和S4的源极相连。开关管S4的源极和下母线连接。开关管S2的漏极和开关管S3的源极和飞跨电容相连，而且这两个节点也分别和二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连。二极管D1的阴极和二极管D2的阴极相连的节点与母线两个电容的中点连接。其余桥臂的结构和原边侧A相一致。
桥臂之间的连接方式：原边侧三个飞跨电容桥臂并联连接，每个桥臂的上端(S1的漏极、S5的漏极和S9的漏极)通过上母线相互连接，每个桥臂的下端(S4的源极、S8的源极和S12的源极)通过下母线相互连接。每个桥臂的二极管相连的节点(二极管D1阳极和二极管D2的阴极相连节点、二极管D3阳极和二极管D4相连节点、二极管D5阳极和二极管D6阴极相连节点)互相连接，且与母线电容的中点连接。两侧是对称结构，副边侧和原边侧相同。
和变压器的连接方式：原边桥臂的输出点(S2的源极，S6的源极和S10的源极)分别通过电感和三个变压器原边的一端相连，原边的另一端相互连接。副边桥臂的输出点(Q2、Q6和Q10的源极)分别和三个变压器副边的一端(原边输入的同名端)相连，另一端相互连接，为YY型连接。
本发明飞跨电容桥臂的结构能够在高压场景下使用耐压更低损耗更小的开关器件。三相结构有助于在本拓扑应用在大功率的工况下，相较于单相拓扑，每相分担的电流更小。而且飞跨电容桥臂具有多样的开关状态，有利于大范围调压。本拓扑适用于电动汽车充放电功率模块，有助于功率模块的小型化和高效化。
调制方式，本发明通过频域分析，提出一种电流有效值最小的调制策略，能够在电压变化范围较大的场景下，通过桥臂不同开关状态的组合，合理调节占空比，使电流有效值保持在较小的状态，从而提高效率。
附图说明
以下结合附图和发明人实现的实施例作进一步详细说明。
图1为本发明的三相三电平DAB拓扑。
图2为本发明的飞跨电容桥臂的工作模式。
图3为本发明的飞跨电容充电路径。
图4为本发明每个桥臂的开关次序
图5为本发明桥臂输出电压示意图
图6为本发明拓扑简化图
图7为本发明控制策略流程示意图
图8为本发明实验对比图
图9为本发明的效率曲线对比图
具体实施方式
本发明三相三电平DAB变换器拓扑如图1所示。变换器两边是对称的结构，有利于能量的双向流动。原边侧和副边侧均由三个飞跨电容桥臂构成，分别是A相、B相和C相。这几个桥臂结构相同，每个飞跨电容桥臂均由四个MOSFET、两个二极管和一个飞跨电容构成。
以左侧A相飞跨电容桥臂为例，开关S1、S2、S3和S4依次串联。二极管D1的阴极和开关S1的源极相连，二极管D2的阳极和开关S4的漏极相连。二极管D1的阳极和二极管D2的阴极相连。飞跨电容和两个二极管并联。V1和V2分别为两侧直流电电压。
这种飞跨电容桥臂有多样的开关组合，可以分为四种不同的状态，分别为P状态，N状态，O1状态和O2状态。如图2所示。当桥臂处于P状态时，开关S1和S2开通，S3和S4关断，VAO＝0.5V1。当桥臂处于N状态时，开关S3和S4开通，S1和S2关断，VAO＝-0.5V1。当桥臂处于O1状态时，开关S1和S3开通，S2和S4关断，飞跨电容上的电压是V1的一半，VAO＝0。当桥臂处于O2状态时，开关S2和S4开通，S1和S3关断，VAO＝0。
在开关次序合理的情况下，飞跨电容上的电压会保持在0.5V1。当飞跨电容的电压小于0.5V1的时候，会通过一定路径给飞跨电容充电，如图3所示。例如，当桥臂处于O1状态的时候，上侧母线电容途经开关S1和二极管D2给飞跨电容充电。如果桥臂开关次序不合理，飞跨电容的电压可能存在一直充电而导致电压过高的情况，合理的开关次序如图4所示。
图5为A相波形示意图，UA、UB和UC的零电平所占角度相同，为D1；副边UX、UY和UZ的占空比所占角度相同，为D2。B相和C相占空比与A相一致，相位和A相滞后或超前120度。
电流有效值的大小和损耗基本上呈正相关，将电流有效值最小作为DAB变换器占空比的优化目标，求解最优占空比，从而实现效率的提高。三相三电平拓扑的简化模型如图6所示，以此为基础进行最优占空比的求取。
电感中电流由两侧电压决定(例如，A相电流由VAM和VXN决定)，但是由于三相之间互相影响，如果使用传统的时域分析方法，电压分段函数太过繁复。在本发明中，使用频域分析的方法，求解最优占空比。
将VA，VB和VC使用傅里叶级数表示：
变压器原边中性点M的电压为：
A点相对于原边变压器中性点的电压VAM为：
同样X点和N点之间的电压可以表示为：
电感电压为：
VLA(t)＝VAM(t)-NVXN(t) (7)
根据电感的性质，可以得到电感电流。
考虑到电感电流的对称性，有
可以得到
其中
由于使用三相对称的调制方式，该变换器的功率可以表示为：
结合公式(13)、(18)和公式(21)可以得到此变换器的功率表达式为
设定功率基准值为：
电流有效值为：
经分析基波传输的功率基本等于变换器传输的总功率，基波电流有效值大小基本和电感电流有效值大小相等。所以以基波传输的功率为约束条件，基波电流有效值为
经过求解，可以得到优化条件
当V1>NV2时
当V1<NV2时
调制策略框图如图7所示，根据输入电压和输出电压的不同，调节原边或者副边电压的占空比，改善了电压不匹配时三相三电平变换器电感电流较大造成效率降低的问题。使变换器能够在宽范围调压情况下保持良好性能。
图8为实验波形图，其中从上至下分别为UA、UX和iLA。输入电压为150V，功率为200W。从同种工况下的实验波形可以看出，本发明提出的算法有效降低了电感电流大小。图9的效率曲线证明了这种控制策略对于效率提升的有效性。