CN102170244A

CN102170244A - 共享电源级联多电平变流器

Info

Publication number: CN102170244A
Application number: CN2011101079159A
Authority: CN
Inventors: 孙孝峰; 李昕; 杜会元
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-08-31

Abstract

一种共享电源级联多电平变流器，主要包括若干个全桥电路，全桥电路由四个功率开关管组成，相邻两个全桥电路通过双向开关或单相开关连接；全桥电路直流侧设有引线端子为U_d+和U_d-，交流侧设有引线端子为U_a1和U_a2，在直流侧引线端子间连接电容；电路交流侧的连接方法是将多个全桥输出级联；电路输入直流侧端子的连接方法为，有一个或多个逆变桥的直流侧的两个端子间接入直流电源。本发明具有重量轻、体积小、电路的效率高、输出电压波形中的谐波含量少、所需直流电源少等优点。

Description

共享电源级联多电平变流器

技术领域 本发明涉及一种多电平双向功率变流装置，尤其是一种采用自举升压方式减少直流电源数量的变流器。

背景技术

近年来，多电平变换器的思想成为了高压大功率变流器领域的一个研究热点。多电平变流器输出电压阶梯波，从而可以使输出的电压波形具有较小的谐波和较低的du／dt。随着输出电平数的增加，输出电压的谐波将减少。另外，多电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗、降低管子的耐压与系统的EMI方面性能都非常优良。

目前，多电平变流器主要分为二极管箝位型、电容箝位型以及级联型三种结构拓扑。可是在实际应用中，各种变流器都存在自身缺陷，例如：二极管箝位型变流器随着电平数的增多，其开关器件和箝位二极管会大量的增加，因此通常只适合于五电平以下的多电平拓扑。而电容箝位型变流器存在有电容的充放电电压平衡的问题，而且在电平数增加时，会需要较多的箝位电容，因此也存在一定的局限性。级联型多电平变流器采用若干低压PWM功率单元相串联的方式来实现直接高压输出，对电网谐波污染较小，电流谐波含量较低，输入功率因数较高，并且不必采用输入谐波滤波器和功率因数校正，在高压大功率领域应用较为广泛。但是级联型多电平变流器也存在诸多问题，例如：当需要得到多个电平时会需要较多的直流电源，其或是采用多副边变压器分别整流得到、或是采用多个独立电源得到。采用多副边变压器的工作频率为工频，体积庞大、连线复杂、价格昂贵；而采用多个独立电源，如果采用畜电池作为独立电源则电池总容量有限，且畜电池的电压不高，不易实现大容量；如果采用多个独立整流电源则其体积更是庞大，价格更昂贵。这使得级联多电平变流器的应用受到限制。对于四级及四级以上级联电路在大功率场合有着广泛的应用，但其多直流电源是其不可回避的缺点，目前尚没有电源共享方法。另外，传统级联多电平不能实现交直交功率变换器中的背靠背连接，因此在变频器方面级联多电平的应用也受到了限制。

发明内容 为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种拓扑结构和控制策略均较简单的共享电源级联多电平变流器。

本发明主要包括若干个全桥电路，所述全桥电路的数量等于或多于两个，每个全桥电路由四个功率开关管组成，相邻两个全桥电路通过带有两个接线端子的双向开关连接组成连接电路，首端全桥电路与末端全桥电路通过端线连接后与其他全桥电路形成整体电路，且整体电路至少由两个全桥电路组成；在每个全桥电路的直流侧设有引线端子为前桥臂的前端U_d+和前桥臂的末端U_d-，在每个全桥电路的交流侧设有引线端子为前桥臂中点U_a1和后桥臂中点U_a2，在全桥电路的直流侧引线端子间连接电容；全桥电路交流侧的连接方法是将多个全桥电路输出级联，级联全桥电路以最上端全桥电路的一个端子及最下端全桥电路的一个端子为输出，中间全桥电路桥臂中点输出端子接其上侧及下侧的另一个全桥电路的一个桥臂中点输出端子；电路输入直流侧端子的连接方法为，有一个或多个全桥电路的直流侧的两个端子间接入直流电源，接入直流电源的全桥电路与其他多个全桥电路共享直流电源，其直流侧电容可以省去，其方法是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d+端子，或是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d-端子，即双向开关两端都连接U_d+端子或都连接U_d-端子。

直流电源的数量小于全桥电路的数量。

所述双向开关为一切具有双向开关功能的结构，可为两个带体内反并联二极管的功率开关管的串联，也可为两个不带体内反并联二极管的两个开关管的并联，或可为由四个二极管和一个开关管组成的双向开关的组合，也可以为单向开关管。

任意两个全桥电路之间相级联的连接方法有四种，其一是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其二是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点，其三是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其四是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点；全桥电路的四个功率开关管可为MOSFET，或可为体内无二极管的IGBT或GTO与二极管组合而成。

本发明的有益效果为：重量轻、体积小、成本低、开关器件工作的频率低、损耗小、电路的效率高、输出电压波形中的谐波含量少，可减少多输出隔离变压器各输出路数、需要的直流电源较少。可实现能量的双向流动，节省电能。易实现模块化，易扩展应用；可以实现背靠背连接。

本发明与箝位型多电平电路相比，不需要箝位二极管和箝位电容，在输出电平数相同情况下，所需的元器件数量较少。本发明的最大优点是只需小于N个电源就可得到N个逆变桥级联的多电平电路，同时本发明成倍提高了直流电压利用率，在所有开关管只承受单倍电源电压的情况下输出N倍于直流电源电压的(2N+1)电平正弦波电压。本发明可拓展到三相，可构成背靠背结构，可实现能量的双向流动。本发明也适用于两级全桥电路的直流电源共享。

附图说明

图1为本发明的直流侧接电容的全桥电路连接图。

图2为本发明的任意两个逆变桥与双向开关的一种连接方式。

图3为本发明的任意两个逆变桥与双向开关的另一种连接方式。

图4为本发明的任意两个逆变桥级联时的第一种连接方法。

图5为本发明的任意两个逆变桥级联时的第二种连接方式。

图6为本发明的任意两个逆变桥级联时的第三种连接方式。

图7为本发明的任意两个逆变桥级联时的第四种连接方式。

图8为本发明的共享电源级联多电平的一种拓扑电路连接图。

具体实施方式

本发明共享电源级联多电平变流器，主要包括若干个全桥电路，所述全桥电路的数量等于或多于两个，每个全桥电路由四个功率开关管组成，相邻两个全桥电路通过带有两个接线端子的双向开关连接组成连接电路，首端全桥电路与末端全桥电路通过端线连接后与其他全桥电路形成整体电路，且整体电路至少由两个全桥电路组成；在每个全桥电路的直流侧设有引线端子为前桥臂的前点U_d+和前桥臂的末端U_d-，在每个全桥电路的交流侧设有引线端子为前桥臂中点U_a1和后桥臂中点U_a2，在全桥电路的直流侧引线端子间连接电容；全桥电路交流侧的连接方法是将多个全桥电路输出级联，级联全桥电路以最上端全桥电路的一个端子及最下端全桥电路的一个端子为输出，中间全桥电路桥臂中点输出端子接其上侧及下侧的另一个全桥电路的一个桥臂中点输出端子；电路输入直流侧端子的连接方法为，有一个或多个全桥电路的直流侧的两个端子间接入直流电源，接入直流电源的全桥电路与其他多个全桥电路共享直流电源，其直流侧电容可以省去，其方法是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d+端子，或是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d-端子，即双向开关两端都连接U_d+端子或都连接U_d-端子。直流电源的数量小于全桥电路的数量。所述双向开关为一切具有双向开关功能的结构，可为两个带体内反并联二极管的功率开关管的串联，也可为两个不带体内反并联二极管的两个开关管的并联，或可为由四个二极管和一个开关管组成的双向开关的组合，也可以为单向开关管。任意两个全桥电路之间相级联的连接方法有四种，其一是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其二是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点，其三是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其四是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点；全桥电路的四个功率开关管可为MOSFET，或可为体内无二极管的IGBT或GTO与二极管组合而成。

如图1所示：全桥电路由功率开关管S₁、功率开关管S₂、功率开关管S₃和功率开关管S₄组成。全桥电路的直流侧接一个电容C₁，全桥电路有四个接线端子，直流侧为：U_d+和U_d-，交流侧为：U_a1和U_a2。

如图2所示：相邻两个全桥电路直流侧连接的一种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m ，有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。双向开关的一端接U_md+另一端接U_(m+1)d+。U_md+和U_md-或U_(m+1)d+和U_(m+1)d-接直流电源，在交流侧级联连接的情况下可以实现两个逆变桥共享该直流电源。

如图3所示：相邻两个全桥电路直流侧连接的另一种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m，其有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。双向开关的一端接U_md-，另一端接U_(m+1)d-。U_md+和U_md-或U_(m+1)d+和U_(m+1)d-接直流电源，在交流侧级联连接的情况下可以实现两个逆变桥共享该直流电源。

如图4所示：相邻两个全桥电路级联交流侧的一种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m，其有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成的组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。第一个全桥电路的前桥臂中点接第二全桥电路的前桥臂中点。

如图5所示：相邻两个全桥电路级联交流侧的第二种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m，其有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。第一个全桥电路的后桥臂中点接第二个全桥电路的后桥臂中点。

如图6所示：相邻两个全桥电路级联交流侧的第三种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m，其有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。第一个全桥电路的后桥臂中点接第二个全桥电路的前桥臂中点。

如图7所示：相邻两个全桥电路级联交流侧的第四种连接方法。由功率开关管S_m1、功率开关管S_m2、功率开关管S_m3和功率开关管S_m4组成一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_m ，其有四个接线端子，直流侧为：U_md+和U_md-，交流侧为：U_ma1和U_ma2。由功率开关管S_(m+1)1、功率开关管S_(m+1)2、功率开关管S_(m+1)3和功率开关管S_(m+1)4组成另一个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(m+1) ，其有四个接线端子，直流侧为：U_(m+1)d+和U_(m+1)d-，交流侧为：U_(m+1)a1和U_(m+1)a2。第一个全桥电路的前桥臂中点接第二个全桥电路的后桥臂中点。

如图8所示：共享电源级联多电平的一种拓扑电路连接图，描述（k+1）个全桥级联电路共享一个直流电源的连接方式。由功率开关管S₁₁、功率开关管S₁₂、功率开关管S₁₃和功率开关管S₁₄组成第1个全桥电路，其直流侧接一个电容C₁；由功率开关管S_j1、功率开关管S_j2、功率开关管S_j3和功率开关管S_j4组成第j个全桥电路，其直流侧接一个电容C_j；虚线部分表示多个逆变桥级联。由功率开关管S_(k-1)1、功率开关管S_(k-1)2、功率开关管S_(k-1)3和功率开关管S_(k-1)4组成第(k-1)个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(k-1)。由功率开关管S_k1、功率开关管S_k2、功率开关管S_k3和功率开关管S_k4组成第k个全桥电路，其直流侧接直流电源V_k。由功率开关管S_(k+1)1、功率开关管S_(k+1)2、功率开关管S_(k+1)3和功率开关管S_(k+1)4组成第(k+1)个全桥电路，其直流侧接一个电容C_(k+1)。每一个全桥电路的负极接双向开关的一端，相邻两个全桥电桥之间接一个双向开关。第1个全桥电路的前桥臂中点接输出电阻R一端，后桥臂中点接第2个逆变桥的前桥臂中点。第j个全桥电路的前桥臂中点接前一个全桥电路的后桥臂的中点，后桥臂中点接后一个逆变桥的前桥臂中点。第（k-1）个全桥电路的后桥臂中点接逆变桥k的前桥臂中点，前桥臂中点接上一个逆变桥的后桥臂中点，逆变桥k的后桥臂中点接逆变桥（k+1）的前桥臂中点。逆变桥（k+1）后桥臂中点接输出电阻R另一端。

Claims

1.一种共享电源级联多电平变流器，主要包括若干个全桥电路，其特征在于：所述全桥电路的数量等于或多于两个，每个全桥电路由四个功率开关管组成，相邻两个全桥电路通过带有两个接线端子的双向开关连接组成连接电路，首端全桥电路与末端全桥电路通过端线连接后与其他全桥电路形成整体电路，且整体电路至少由两个全桥电路组成；在每个全桥电路的直流侧设有引线端子为前桥臂的前端U_d+和前桥臂的末端U_d-，在每个全桥电路的交流侧设有引线端子为前桥臂中点U_a1和后桥臂中点U_a2，在全桥电路的直流侧引线端子间连接电容；全桥电路交流侧的连接方法是将多个全桥电路输出级联，级联全桥电路以最上端全桥电路的一个端子及最下端全桥电路的一个端子为输出，中间全桥电路桥臂中点输出端子接其上侧及下侧的另一个全桥电路的一个桥臂中点输出端子；电路输入直流侧端子的连接方法为，有一个或多个全桥电路的直流侧的两个端子间接入直流电源，接入直流电源的全桥电路与其他多个全桥电路共享直流电源，其直流侧电容可以省去，其方法是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d+端子，或是应用双向开关连接相邻两个全桥电路的U_d-端子，即双向开关两端都连接U_d+端子或都连接U_d-端子。

2.根据权利要求1的共享电源级联多电平变流器，其特征在于：直流电源的数量小于全桥电路的数量。

3. 根据权利要求1的共享电源级联多电平变流器，其特征在于：所述双向开关为一切具有双向开关功能的结构，可为两个带体内反并联二极管的功率开关管的串联，也可为两个不带体内反并联二极管的两个开关管的并联，或可为由四个二极管和一个开关管组成的双向开关的组合，也可以为单向开关管。

4. 根据权利要求1的共享电源级联多电平变流器，其特征在于：任意两个全桥电路之间相级联的连接方法有四种，其一是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其二是一个全桥电路的前桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点，其三是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的前桥臂中点，其四是一个全桥电路的后桥臂中点接另一个全桥电路的后桥臂中点。

5. 根据权利要求1的共享电源级联多电平变流器，其特征在于：全桥电路的四个功率开关管可为MOSFET，或可为体内无二极管的IGBT或GTO与二极管组合而成。