CN101944839A - 单相五电平功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种单相五电平电压型功率变换器，由一个传统的三相桥和两个耦合电感构成。所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂的输出端分别与所述的两个耦合电感的两个非公共连接点相连，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述的两个耦合电感为顺接连接。本发明可作为单相逆变器、整流器等功率变换器，也可以由三个该变换器构成三相五电平功率变换器以便应用于三相场合；在需要高电压的场合，也可以通过本五电平功率变换器的级联构成更多电平数的功率变换器。

Description

单相五电平功率变换器

技术领域

本发明涉及多电平电力电子功率变换器，特别涉及一种单相五电平电压型功率变换器。

背景技术

为了提高电压耐受等级，减小输出电压的谐波含量，以及减小由于较高的dv/dt而造成的电磁干扰等目的，多电平电力电子功率变换器一直以来都获得了广泛的关注和研究，也产生了大量的实际应用装置。国内外相关的研究机构及研发企业和单位也提出了多种拓扑结构的多电平功率变换器。

然而，目前几乎所有的多电平电力电子功率变换器都是通过采用多个直流电源来实现输出电压的多个电平。例如，传统的级联H桥型多电平变换器需要采用多个独立的直流电源；而二极管箝位型多电平变换器和飞跨电容型多电平变换器均通过分裂电容来获得多个电平的直流电压，间接地得到了多个直流电源。在已有专利中，美国专利US6005788、US7219673、US20060044857和US20090237962以及中专利200610019724、200710062642、200520044611.2、200720083744.X、200810204472、200710064575.X、200710114460.7、200710144523.3、200810105139.7、200810118834.7、200810118835.1、200910045506.3等等均是采用了多个变压器获得独立直流电源或者通过分裂直流电容电压的方式来获得多个电平的输出电压。然而，采用多个变压器获得独立直流电源时会增加变换器的体积和重量；而采用分裂直流电容电压时又会带来直流电容电压均衡问题，且存在电力电子功率器件直流电压应力不同的缺点，降低了系统运行的可靠性。

发明内容

本发明旨在克服现有单相五电平功率变换器的缺点，减少直流电压环节，消除直流电容均压问题，在降低输出电压谐波含量的同时提高多电平功率变换器的运行可靠性。

本发明由一个传统的三相桥和两个耦合电感构成。三相桥的三个桥臂由电力电子功率器件构成。三相桥中的一个桥臂输出作为本发明单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与两个耦合电感的两个非公共连接点相连，耦合电感的公共连接点作为本发明单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子。同时，两个耦合电感的连接方式为顺接连接，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点。

本发明单相五电平电压型功率变换器具有以下特点和优势：

1.只需要一个直流电源就可以产生五电平的输出电压，不存在直流电容均压问题，系统运行可靠性高。

2.每个电力电子功率器件的直流电压应力均相同，便于器件的设计和选择。

3.输出电压的最小电平值为直流电压的1/2，与单相全桥型功率变换器相比可以大大降低谐波含量和输出电压的dv/dt，也就可以降低系统运行时的电磁干扰。

4.只需要在常见的三相桥基础上加入两个耦合电感即可实现，结构简单，十分便于生产制造。

5.本发明配置灵活，适用范围广，既可以用于单相系统也可以用于三相系统，例如整流器、逆变器等。当模块进行级联时也可以应用于高压系统，例如高压直流输电、高压变频器等。

附图说明

图1为本发明单相五电平功率变换器的电路原理图；

图2为本发明单相五电平功率变换器输出电压u_ab和负载电流i_b的仿真波形图；

图3为相应的u₂₃的仿真计算波形图；

图4为相应的u₂₃的频谱分析图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明单相五电平功率变换器中的三相桥由第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和一个直流电源构成。所述的三个桥臂由电力电子功率器件即六个全控型电力电子开关器件S₁-S₆和六个二极管D₁-D₆构成。以S₁-S₆选用IGBT的情况为例，各个器件之间的连接方式为：第一桥臂由S₁、S₂、D₁、D₂构成，S₁的发射极与S₂的集电极相连构成第一桥臂的输出端1，D₁的正极与S₁的发射极相连，D₁的负极与S₁的集电极相连，D₂的正极与S₂的发射极相连，D₂的负极与S₂的集电极相连。第二桥臂由S₃、S₄、D₃、D₄构成，S₃的发射极与S₄的集电极相连构成第二桥臂的输出端2，D₃的正极与S₃的发射极相连，D₃的负极与S₃的集电极相连，D₄的正极与S₄的发射极相连，D₄的负极与S₄的集电极相连。第三桥臂由S₅、S₆、D₅、D₆构成，S₅的发射极与S₆的集电极相连构成第三桥臂的输出端3，D₅的正极与S₅的发射极相连，D₅的负极与S₅的集电极相连，D₆的正极与S₆的发射极相连，D₆的负极与S₆的集电极相连。S₁、S₃和S₅的集电极均连接到直流电源的正极，S₂、S₄和S₆的发射极均连接到直流电源的负极。三相桥的第一桥臂输出端1作为单相五电平功率变换器输出端的一个端子a，三相桥的第二和第三桥臂的中点，即2和3分别连接到两个耦合电感非公共点的两个端子，耦合电感的公共点端子作为单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。两个耦合电感为顺接方式，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点，即单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。

所述的IGBT可用MOSFET及其他全控型电力电子开关器件替代。

为了进一步说明本发明单相五电平功率变换器的工作原理，首先分析图1中两个耦合电感的作用。假设两个耦合电感匝数相同，共同绕制在同一个铁芯上，两者的主自感均为M；同时假设漏自感很小，即可以忽略。假设两个耦合电感的耦合系数为1，也就是说两个耦合电感的互感也等于M。以直流电压的中点n点作为参考点，则有如下动态电压方程：

Mdi₂/dt-Mdi₃/dt＝u_2n-u_bn        (1)

Mdi₃/dt-Mdi₂/dt＝u_3n-u_bn        (2)

同时，根据基尔霍夫定律有：

i₂+i₃+i_b＝0                     (3)

解方程(1)-(3)式可得：

u_bn＝(u_2n+u_3n)/2                (4)

可见，耦合电感的作用相当于将两个输入电压进行了串联。因此，单相五电平功率变换器的输出电压为：

u_ab＝u_an-u_bn＝u_an-(u_2n+u_3n)/2   (5)

可见，单相五电平功率变换器的输出电压与负载电流i_b无关。

令三相桥的每个桥臂上下两个开关器件均为互补工作方式，即每个桥臂只有两种开关状态。以第一桥臂为例，S₁开通时S₂必须关断，S₂开通时S₁必须关断。因此，u_an、u_2n和u_3n均可输出两个电平的电压，即+E和-E。故由(5)式可知，u_ab可以输出五个电平的电压，即+2E、+E、0、-E和-2E。因此，选择合适的调制方式，即可实现单相五电平功率变换器的输出电压为五电平。

图2为本发明单相五电平功率变换器输出电压u_ab和负载电流i_b的仿真计算波形图，图3为电压u₂₃的仿真计算波形图，图4为u₂₃的频谱分析图。仿真参数为：直流电压为2E＝400V，调制方式为正弦脉宽调制，载波频率为2kHz，参考电压频率为50Hz，调制比为0.8，两个耦合电感的主自感为5mH，负载为RL阻感串联负载，其中R＝2，L＝2mH。由这些仿真计算结果可见，单相五电平功率变换器输出电压u_ab为五电平的脉宽调制波形，且耦合电感两端的电压中不含直流分量和基波分量，不会因调制产生的直流分量导致电感饱和，同时由于不含有基波分量，所需要耦合电感的值也很小。这些仿真计算结果表明本发明正确可行。

Claims (7)

1.一种单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的单相五电平功率变换器由一个三相桥和两个耦合电感构成；所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与所述的两个耦合电感的两个非公共连接点相连，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述的两个耦合电感为顺接连接。

2.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的三相桥由第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和一个直流电源构成；所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂由电力电子功率器件即第一开关至第六开关(S₁-S₆)和第一至第六二极管(D₁-D₆)构成；以第一开关至第六开关(S₁-S₆)选用IGBT的情况为例：第一桥臂由第一开关(S₁)、第二开关(S₂)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)构成，第一开关(S₁)的发射极与第二开关(S₂)的集电极相连构成第一桥臂的输出端1，第一二极管(D₁)的正极与第一开关(S₁)的发射极相连，第一二极管(D₁)的负极与第一开关(S₁)的集电极相连，第二二极管(D₂)的正极与第二开关(S₂)的发射极相连，第二二极管(D₂)的负极与第二开关(S₂)的集电极相连；第二桥臂由第三开关(S₃)、第四开关(S₄)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)构成，第三开关(S₃)的发射极与第四开关(S₄)的集电极相连构成第二桥臂的输出端2，第三二极管(D₃)的正极与第三开关(S₃)的发射极相连，第三二极管(D₃)的负极与第三开关(S₃)的集电极相连，第四二极管(D₄)的正极与第四开关(S₄)的发射极相连，第四二极管(D₄)的负极与第四开关(S₄)的集电极相连；第三桥臂由第五开关(S₅)、第六开关(S₆)、第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)构成，第五开关(S₅)的发射极与第六开关(S₆)的集电极相连构成第三桥臂的输出端3，第五二极管(D₅)的正极与第五开关(S₅)的发射极相连，第五二极管(D₅)的负极与第五开关(S₅)的集电极相连，第六二极管(D₆)的正极与第六开关(S₆)的发射极相连，第六二极管(D₆)的负极与第六开关(S₆)的集电极相连；第一开关(S₁)、第三开关(S₃)和第五开关(S₅)的集电极均连接到直流电源的正极，第二开关(S₂)、第四开关(S₄)和第六开关(S₆)的发射极均连接到直流电源的负极。

3.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的三相桥与耦合电感的第一种连接方式是：的第一桥臂输出端1作为所述的单相五电平功率变换器输出端的一个端子a，所述的三相桥的第二桥臂的中点，即输出端2和第三桥臂的中点，即输出端3分别连接到所述的两个耦合电感非公共点的两个端子，所述的两个耦合电感的公共点端子作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。

4.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的三相桥与耦合电感的第二种连接方式是：的第二桥臂的输出端子2作为所述的单相五电平功率变换器输出端的一个端子a，所述的三相桥的第一桥臂的输出端子1和所述的第三桥臂的输出端子3分别接所述的两个耦合电感的两个非公共连接点端子，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。

5.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的三相桥与耦合电感的第三种连接方式是：的第三桥臂的输出端子3作为所述的单相五电平功率变换器输出端的一个端子a，所述的三相桥的第一桥臂的输出端子1和第二桥臂的输出端子2分别接所述的两个耦合电感的两个非公共连接点端子，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。

6.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于：两个耦合电感顺接，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点。

7.如权利要求2所述的单相五电平功率变换器，其特征在于所述的每个电力电子功率器件的直流电压应力均相同。

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