多电平变换器直流侧电压平衡电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于多电平变换器技术领域，更为具体地讲，涉及一种多电平变换器 直流侧电压平衡电路。
【背景技术】
[0002] 多电平变换器直流侧输出由上下两组并联电容串联而成，系统负载连接在DC+(直 流侧正端)和DC-(直流侧负端)之间，系统供电电源输入从DC+和DC_mid (直流侧中点）取电。 图1是多电平变换器直流侧的等效电路图。如图1所示，供电电源等效为负载R，当直流侧输 出DC+和DC-之间的电压稳定不变时，上下两组电容电势必会因为所带负载不同而导致上电 容电压越来越低，下电容两端电压越来越高，上电容两端电压越来越低，最终使整个系统偏 离正常的工作状态。
[0003] 为解决直流电容电压平衡问题，已经有许多文献进行了相关研究，目前主流的解 决方式有两种。一类是通过增加辅助电路进行电容电压平衡，包括采用电感辅助电路和电 容辅助电路，其中，采用一级电感辅助电路进行电容电压平衡控制已经在许多场合成功应 用。但是此种辅助电路需要两个电感，以及DSP控制发波驱动开关管，其实现方式体积大、结 构也相对复杂。
[0004] 另一类是在变流器的数学模型和电压空间矢量PWM(Pulse Width Modulation，脉 冲宽度调制)实现的基础上，提出的一种基于检测交流侧电流方向的直流电压平衡方法，该 平衡方法采用数字控制来进行直流电压平衡，采用该方法，可以使得直流电容电压的平衡 调节不受变流器功率因数过低和功率流向的影响，始终以较快的速度保持直流电压的平 衡。但是该方法的应用范围有限，例如当系统电源加载在上电容两侧时，该方法无法达到理 想效果。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多电平变换器直流侧电压 平衡电路，针对多电平变换器直流器上、下电容电压失衡问题设计一种自动平衡硬件电路， 提高多电平变换器的稳定性。
[0006] 为实现上述发明目的，本实用新型多电平变换器直流侧电压平衡电路包括信号调 理模块、比较控制模块、PWM模块和能量传输模块，其中：
[0007] 信号调理模块包括两组信号调理电路，分别接收多电平变换器直流侧上电容电压 信号Uup和下电容电压信号U d_，对电压信号处理后得到满足后续模块处理要求的电压调理 信号和，将两个电压调理信号并行输入比较控制模块；
[0008] 比较控制模块接收电压调理信号和并进行比较，如果此时 向P丽模块输出有效电平控制信号；如果此时，向P丽模块输出无效电平控制信 号；
[0009] PWM模块接收比较控制模块输出的控制信号，当控制信号为有效则向能量传输模 块发送PWM波，当控制信号为无效则不发送PWM波；
[0010]能量传输模块包括M0SFET场效应管、变压器和二极管，M0SFET场效应管的G端与 PWM模块3的输出端连接，D端和S端中的一端串联变压器的一次侧后与下电容的一端连接， 另一端与下电容的另一端连接，变压器的二次侧的一端串联二极管后与上电容的一端连 接，另一端与上电容的另一端连接;M0SFET场效应管接收ΠΜ模块发送的ΠΜ波，当ΠΜ波为 高电平时，M0SFET场效应管的D端和S端导通，当PWM波为低电平时，M0SFET场效应管的D端和 S端断开，通过D端和S端的通断，使变压器的二次侧产生感应电压，与上电容的电压正向叠 加。
[0011]进一步地，信号调理电路采用电压衰减电路。
[0012] 进一步地，电压衰减电路包括放大器An，电阻.、-、如几^ -以及电容&^其中 电阻Rn的两端分别连接所取电压信号的电容的正极和放大器An的反相输入端，电阻R12的 两端分别连接所取电压信号的电容的负极和放大器An的同相输入端，电阻R 13的两端分别 连接放大器An的反相输入端和放大器An的输出端，电阻Ri4的两端分别连接放大器An的同 相输入端和接地点，电阻R15-端连接放大器A11的输出端，另一端作为调整电压信号的输出 端，电容Cn两端分别连接调整电压信号的输出端和接地点。
[0013] 进一步地，比较控制模块包括放大器A21、第一电源VCQ、第一电阻R21、第二电源 VCC2、第二电阻R22、光親开关，其中，放大器A21的反相输入端输入电压调理信号，正相输 入端输入电压调理信号&，输出端连接光耦开关中发光二极管的负极，光耦开关中发光 二极管的正极串联第二电阻R22后连接第二电源VCC2,光耦开关的其中一个输出端接地，另 一个输出端串联第一电阻R21后连接第一电源VCCi，该输出端作为电平控制信号的输出端。
[0014] 进一步地，能量传输模块中的变压器采用反激式变压器。
[0015] 本实用新型多电平变换器直流侧电压平衡电路，包括信号调理模块、比较控制模 块、PWM模块和能量传输模块，上电容和下电容的电压信号通过信号调理模块进行处理后得 到两个电压调理信号；比较控制模块接收两个电压调理信号并进行比较，如果上电容电压 调理信号的电压值小于下电容电压调理信号的电压值，则向PWM模块输出有效电平，否则输 出无效电平;PWM模块接收比较控制模块输出的控制信号，当控制信号为有效则向能量传输 模块发送PWM波，当控制信号为无效则不发送PWM波;能量传输模块接收到有效PWM波后，将 下电容两端的电压通过变压器进行能量传输，正向加载到上电容两端，从而将下电容的能 量传输到上电容，抵消系统电压的消耗，实现电容电压平衡。
[0016] 本实用新型针对多电平变换器直流侧常见的由于上下电容因带载不平衡而造成 的偏压且下电容电压高于上电容电压的情况，设计出电压平衡电路，具有电路成本低廉、控 制结构简单、系统响应速度快、稳定性高等诸多优点。
【附图说明】
[0017] 图1是多电平变换器直流侧的等效电路图；
[0018] 图2是本实用新型多电平变换器直流侧电压平衡电路的【具体实施方式】结构图；
[0019] 图3是本实施例中信号调理电路的电路图；
[0020] 图4是本实施例中比较控制模块电路图；
[0021] 图5是本实施例中PWM模块电路图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更 好地理解本实用新型。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细 描述也许会淡化本实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0023] 实施例
[0024]图2是本实用新型多电平变换器直流侧电压平衡电路的【具体实施方式】结构图。如 图2所示，本实用新型多电平变换器直流侧电压平衡电路包括信号调理模块1、比较控制模 块2、PWM模块3、能量传输模块4。
[0025]信号调理模块1包括两组信号调理电路，分别接收多电平变换器直流侧上电容电 压信号uup和下电容电压信号Ud_，对电压信号处理后得到满足后续模块处理要求的电压调 理信号和，将两个电压调理信号并行输入比较控制模块2。
[0026]电压调理电路的具体参数是根据后续模块的处理要求来设置的。显然，为了保证 电压调整信号不改变原电压信号的大小关系，两个电压调理电路的参数应当相同。本实施 例中所采用的信号调理电路为电压衰减电路。图3是本实施例中信号调理电路的电路图。如 图3所示，本实施例中电压衰减电路包括放大器An，电阻.、如^^ -以及电容心^其 中电阻Rn的两端分别连接所取电压信号的电容的正极和放大器An的反相输入端，电阻R12 的两端分别连接所取电压信号的电容的负极和放大器An的同相输入端，电阻R13的两端分 别连接放大器An的反相输入端和放大器An的输出端，电阻Ri4的两端分别连接放大器An的 同相输入端和接地点，电阻R15-端连接放大器A11的输出端，另一端作为调整电压信号的输 出端，电容Cn两端分别连接调整电压信号的输出端和接地点。
[0027] 比较控制模块2接收电压调理信号&和{^_并进行比较，如果此时，则 说明上电容两端电压低于下电容两端电压，向PWM模块3输出有效电平控制信号；如果此时 上电容两端电压高于或等于下电容两端电压，向?^莫块3输出无效电平控制信号·。
[0028] 图4是本实施例中比较控制模块电路图。如图4所示，本实施例中，比较控制模块2 包括放大器Α21、第一电源VCCl、第一电阻R21、第二电源VCC2、第二电阻R22、光親开关，其