三电平DAB进一步扩宽双向DCDC变换器的电压等级和功率范围

前言:

在前几天发出的三端口功率变换系统的文章后《三端口功率变换系统的原理和仿真》,我就一直在想三相AC/DC整流的直流母线是800V,如果使用两电平的DCDC,就需要使用1200V的SIC器件。所以,我在想能不能使用三电平的技术,来把开关器件的电压等级降下来,或者是能处理更高等级的输入/输出电压呢,这正是本文的背景。

答案是可以,DAB使用移相控制,其中原边或者副边全桥的两个桥臂使用50%的占空比互补工作,在使用三重移相控制方法时,两个有源桥臂还需分出超前和滞后桥臂。单纯就提取原边或者副边某个全桥来进行分析,上下管50%互补,通过调制超前与滞后的关系来进行功率调整,这让我很容易的联想到三电平移相桥的控制方法,可见这篇文章里面各个模态下的工况描述:《三电平ZVS半桥的控制模型与仿真 基于PSPICE》。所以DAB的调制是与移相全桥相似的,所以,三电平DAB是可以的。

 (图一  三电平DAB 原边桥臂)

可见图一所示,其中Q1和Q4为超前开关,Q2和Q3为滞后开关,当Q1/Q2或者Q3/Q4一起开通时,即可产生两个方向的400V的电压加到变压器上。同时利用D1和D2来分别钳位Q2/Q3开关的电压,再通过让Q1/Q4先关断,Q2/Q3的开关时序来实现电压钳位,实现三电平的效果,其驱动波形可见图二:

(图二 原边PWM时序)

这样在原边就可以得到三个电平的电压波形输入变压器,如果副边是400V等级的输出,就可以使用两电平的全桥来做。就能将800V的母线电压降低到400V,或者把400V的低压反向输出到800V,实现了800V高压母线到400V低压母线的高低压双向变换,所以通过三电平DAB的功率拓扑,可以很容易的组合实现三相AC/DC整流/逆变的功率双向变换处理。

功率拓扑:

(图三 TL DAB)

系统满负载波形,原边800V副边输出375V负载7.5KW:

(图四 TL DAB 全桥电压和电流)

通过前文的介绍和分析,我们可以很容易的把三电平的技术应用到DAB变换器上,但是如果觉得三电平半桥的输出功率不够,需要扩大系统的输出功率,那就上三电平全桥吧,再使用变压器的串并联方法来扩大副边的输出功率。拓扑可见:

(图五 TL FB DAB)

系统满负载波形,原边800V副边输出350V负载10KW:

(图六 TL FB DAB VIN800/VOUT350V/10KW)

(图七 TL FB DAB VIN800/VOUT500V/10KW)

可见使用三电平全桥拓扑后,原边的电压是正负800V,副边是正负350V,并且所有的开关的耐压都在650V以内,实现了大功率低成本优化。所以如果要进一步提升功率,我后面会继续尝试一下三电平三相DAB的实现。

小结:简单的说明了三电平DAB的控制实现方法,也把三电平应用到半桥和全桥方案上,提供了两种实现高压~低压大容量双向DCDC实现变换器的实现方法。关于三电平DAB的更多研究后续会逐步展开,有了进展会慢慢更新哈。

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