Voltage Balancing Method for Inner and Outer Switches of Three-level Series Resonant Converter

WANG Wei; LI Binbin; SONG Xinzhe; YANG Dongmei; ZHOU Shaoze; WEI Zheng

doi:10.7500/AEPS20230924003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Voltage Balancing Method for Inner and Outer Switches of Three-level Series Resonant Converter

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Voltage Balancing Method for Inner and Outer Switches of Three-level Series Resonant Converter
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 23, Pages: 188-196(2024)
- 作者机构：
  
  1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），江苏省南京市 211106
  2.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省哈尔滨市 150001
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  Science Foundation for Excellent Young Scholars of Heilongjiang Province(YQ2023E019);NARI Technology Co., Ltd(2022081101069)
- DOI：10.7500/AEPS20230924003
  CLC：
- Received：24 September 2023，
  
  Revised：2024-02-16，
  
  Published Online：15 May 2024，
  
  Published：10 December 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
王伟,李彬彬,宋昕哲等.三电平串联谐振变换器内外管均压方法[J].电力系统自动化,2024,48(23):188-196.

WANG Wei,LI Binbin,SONG Xinzhe,et al.Voltage Balancing Method for Inner and Outer Switches of Three-level Series Resonant Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):188-196.
王伟,李彬彬,宋昕哲等.三电平串联谐振变换器内外管均压方法[J].电力系统自动化,2024,48(23):188-196. DOI： 10.7500/AEPS20230924003.

WANG Wei,LI Binbin,SONG Xinzhe,et al.Voltage Balancing Method for Inner and Outer Switches of Three-level Series Resonant Converter[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(23):188-196. DOI： 10.7500/AEPS20230924003.

摘要

三电平串联谐振变换器凭借其三电平半桥结构，具有显著减少功率模块数目进而降低成本的优势，被广泛应用于直流变压器。然而，当三电平串联谐振变换器工作在功率反向传输模式时，换流过程中内外管结电容充电电流不一致会导致开关器件不均压，器件存在过压损坏风险。针对该问题，文中分析了功率反向传输模式下三电平内外管不均压的产生机理，据此提出了在内管两端并联辅助电容的无源均压方法，给出了辅助电容的参数设计方法。进一步

提出了控制内外管时序的有源均压方法，推导得出了内外管时序设计依据。最后，通过75 kW实验平台验证了理论分析的正确性及所提方法的可行性。

Abstract

With a three-level half-bridge structure

the three-level series resonant converter (TL-SRC) has the advantage of significantly reducing the number of power modules and thus reducing the cost

so it is widely used in DC transformers. However

when the TL-SRC operates in the power reverse transmission mode

the inconsistent charging current of the junction capacitors of the inner and outer switches may cause a voltage imbalance of the switching devices

which brings the risk of overvoltage damage to the devices. To solve this problem

this paper analyzes the mechanism of voltage imbalance of the three-level inner and outer switches in the power reverse transmission mode. Based on the mechanism

a passive voltage balancing method with parallel auxiliary capacitors at both ends of the inner switch is proposed

and the parameter design method of auxiliary capacitors is given. Further

an active voltage balancing method for controlling the timing of the inner and outer switches is proposed

and the basis for designing the timing of the inner and outer switches is derived. Finally

the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the proposed method are verified on a 75 kW experimental platform.

关键词

Keywords

references

何晓坤，胡仁杰，陈武 . 一种适用于新能源中压直流汇集的无环流零电流软开关三电平谐振式复合全桥变换器［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 19 ）： 5274 - 5287 .

HE Xiaokun ， HU Renjie ， CHEN Wu . A novel circulating current free zero current switching three-level resonant composite full bridge converter for new energy medium voltage DC collection system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 19 ）： 5274 - 5287 .

唐巍，张起铭，张璐，等 . 新型配电系统多层级交直流互联理念、关键技术与发展方向［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 6 ）： 2 - 17 .

TANG Wei ， ZHANG Qiming ， ZHANG Lu ， et al . Concept， key technologies and development direction of multilevel AC/DC interconnection in new distribution system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 6 ）： 2 - 17 .

FLOURENTZOU N ， AGELIDIS V G ， DEMETRIADES G D . VSC-based HVDC power transmission systems： an overview ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2009 ， 24 （ 3 ）： 592 - 602 .

张玉莹，曾博，周吟雨，等 . 碳减排驱动下的数据中心与配电网交互式集成规划研究［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 23 ）： 6433 - 6450 .

ZHANG Yuying ， ZENG Bo ， ZHOU Yinyu ， et al . Research on interactive integration planning of data centers and distribution network driven by carbon emission reduction ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 23 ）： 6433 - 6450 .

张沈习，王丹阳，程浩忠，等 . 双碳目标下低碳综合能源系统规划关键技术及挑战［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 8 ）： 189 - 207 .

ZHANG Shenxi ， WANG Danyang ， CHENG Haozhong ， et al . Key technologies and challenges of low-carbon integrated energy system planning for carbon emission peak and carbon neutrality ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 189 - 207 .

HUBER J E ， KOLAR J W . Applicability of solid-state transformers in today’s and future distribution grids ［J］. IEEE Transactions on Smart Grid ， 2019 ， 10 （ 1 ）： 317 - 326 .

HUBER J E ， KOLAR J W . Solid-state transformers： on the origins and evolution of key concepts ［J］. IEEE Industrial Electronics Magazine ， 2016 ， 10 （ 3 ）： 19 - 28 .

ZHANG J M ， WANG Z H ， SHAO S . A three-phase modular multilevel DC-DC converter for power electronic transformer applications ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2017 ， 5 （ 1 ）： 140 - 150 .

李彬彬，张书鑫，程达，等 . 新型混合式高压直流输电DC/DC变换器［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 7 ）： 116 - 122 .

LI Binbin ， ZHANG Shuxin ， CHENG Da ， et al . Hybrid DC/DC converter for HVDC transmission system ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 116 - 122 .

ZHAO B ， SONG Q ， LI J G ， et al . Modular multilevel high-frequency-link DC transformer based on dual active phase-shift principle for medium-voltage DC power distribution application ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2017 ， 32 （ 3 ）： 1779 - 1791 .

杨博，葛琼璇，赵鲁，等 . 基于输入串联输出并联的双向全桥串联谐振DC-DC变换器系统控制策略研究［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2574 - 2584 .

YANG Bo ， GE Qiongxuan ， ZHAO Lu ， et al . Control strategy of dual bridge series resonant DC-DC converter system based on input series output parallel connection ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2574 - 2584 .

谷恭山，郑祥杰，高明，等 . 两级结构模块化ISOP组合的DC-DC变换器均压控制策略［J］. 电工技术学报， 2019 ， 34 （ 15 ）： 3175 - 3185 .

GU Gongshan ， ZHENG Xiangjie ， GAO Ming ， et al . Research on voltage sharing control strategy of a combined two-stage modular input-series output-parallel DC-DC converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2019 ， 34 （ 15 ）： 3175 - 3185 .

刘海洋，崔淑梅，刘闯，等 . 基于开关谐振支路的电压自平衡型ISOP直流变压器［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 20 ）： 139 - 146 .

LIU Haiyang ， CUI Shumei ， LIU Chuang ， et al . Voltage self-balancing input-series output-parallel DC transformer based on switched resonant branch ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 20 ）： 139 - 146 .

朱旭豪，李容冠，陈武，等 . 模块化多电平开关串联型直流变压器的电流优化控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 10 ）： 153 - 163 .

ZHU Xuhao ， LI Rongguan ， CHEN Wu ， et al . Current optimal control strategy for DC transformer with modular multilevel structure and series-connected switches ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 10 ）： 153 - 163 .

HUBER J E ， MINIBOCK J ， KOLAR J W . Generic derivation of dynamic model for half-cycle DCM series resonant converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 4 - 7 .

ORTIZ G ， BIELA J ， BORTIS D ， et al . 1 Megawatt， 20 kHz， isolated， bidirectional 12 kV to 1.2 kV DC-DC converter for renewable energy applications ［C］// The 2010 International Power Electronics Conference （ECCE ASIA）， June 21-24 ， 2010 ， Sapporo， Japan ： 3212 - 3219 .

ZHAO X D ， LI B B ， FU Q T ， et al . DC solid state transformer based on three-level power module for interconnecting MV and LV DC distribution systems ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1563 - 1577 .

SUH B S ， HYUN D S ， CHOI H K . A circuit design for clamping an overvoltage in three-level GTO inverters ［C］// Proceedings of IECON’94 - 20th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics ， September 5-9 ， 1994 ， Bologna， Italy .

SUH J H ， SUH B S ， HYUN D S . A new snubber circuit for high efficiency and overvoltage limitation in three-level GTO inverters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 1997 ， 44 （ 2 ）： 145 - 156 .

赵正毅，魏念荣，赵良炳，等 . 一般缓冲电路的模型及三电平IGBT变流器内外元件电压不平衡机理［J］. 中国电机工程学报， 2000 ， 20 （ 6 ）： 30 - 34 .

ZHAO Zhengyi ， WEI Nianrong ， ZHAO Liangbing ， et al . Modeling for general snubber circuits and the reason for voltage unbalance between the inner and outer devices in three level IGBT converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2000 ， 20 （ 6 ）： 30 - 34 .

任康乐，张兴，王付胜，等 . NPC型三电平并网逆变器内外管不均压分析及抑制［J］. 太阳能学报， 2017 ， 38 （ 10 ）： 2840 - 2847 .

REN Kangle ， ZHANG Xing ， WANG Fusheng ， et al . Analysis and suppression for voltage unbalance between internal and external devices in three-level NPC inverter ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2017 ， 38 （ 10 ）： 2840 - 2847 .

陈扬飞，何礼高 . 三电平逆变器缓冲电路内外电压不平衡分析及改进［J］. 电机与控制学报， 2006 ， 10 （ 2 ）： 182 - 186 .

CHEN Yangfei ， HE Ligao . Analysis on unbalance voltages between inner and outer snubber circuits and improvement of three-level inverter ［J］. Electric Machines and Control ， 2006 ， 10 （ 2 ）： 182 - 186 .

林铭恩 . 面向NPC三电平变换器的SiC MOSFET桥臂串扰与振荡抑制研究［D］. 徐州：中国矿业大学， 2021 .

LIN Ming’en . Research of suppressing bridge-leg crosstalk and oscillation of SiC MOSFET for NPC three-level converter ［D］. Xuzhou ： China University of Mining and Technology ， 2021 .

汪鋆 . 基于IGBT的750 kVA三相二极管箝位型三电平通用变流模块设计［D］. 杭州：浙江大学， 2010 .

WANG Jun . Development of an IGBT-based 750 kVA three-phase NPC three-level universal converter module ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2010 .

杨国润，肖飞，范学鑫，等 . 一种四管动作的高压大功率三电平变流器双脉冲测试方法［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 3 ）： 695 - 701 .

YANG Guorun ， XIAO Fei ， FAN Xuexin ， et al . A novel four-switch action double-pulse test method for high-voltage high-power three-level converters ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 3 ）： 695 - 701 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Continuation Power Flow Calculation for DC Distribution Network Considering Control and Capacity Constraints of DC Transformer

Fast Protection Scheme for Bipolar Face-to-face Modular Multilevel Converter Based DC Transformer

Equivalent Modeling Method for Fast Electromagnetic Transient of Non-isolated DC Transformers

Related Author

WANG Wei

SONG Xinzhe

YANG Dongmei

ZHOU Shaoze

WEI Zheng

ZHOU Niancheng

XU Xiaolong

WANG Qianggang

Related Institution

NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute)

College of Electric Engineering, Sichuan University

State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology (Chongqing University)

College of Electrical Engineering, Sichuan University

School of Electrical Engineering, Sichuan University

⁰