CN102638189A - 五级功率转换的转换器 - Google Patents

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Abstract

五级功率转换器包括：直流电源，其中两个直流电源串联连接，并且该直流电源包括三个端子；以及并联连接到直流电源的第一半导体开关串联电路，其中2N个半导体开关串联连接；与第二半导体开关串联电路并联连接的第三半导体开关串联电路，该第三半导体开关串联电路是连接到第一半导体开关串联电路的中间连接点的两个半导体开关的串联连接电路；并联连接到第三半导体开关串联电路的电容器；以及连接在第三半导体开关串联电路的串联连接点与直流电源的串联连接点之间的第一交流开关，其中第二半导体开关串联电路的串联连接点被用作交流端子。

Description

五级功率转换的转换器
技术领域
本发明涉及半导体功率转换器的电路配置技术，具体地涉及直接输出五级电压的五级功率转换器。
背景技术
五级逆变器电路的一相被示为图10中的现有技术。在图10中，半导体开关Q1至Q8的串联电路连接在其中直流单电源b11、b12、b21和b22串联连接的直流组合电源BA2的正端子与负端子之间，并且作为串联电路的中间连接点的半导体开关Q4和Q5的连接点是交流输出点U。同样，其中二极管D1和D4串联连接的二极管串联臂DA1连接在半导体开关Q1和Q2的连接点与半导体开关Q5和Q6的连接点之间，并且二极管串联臂DA1内部的串联连接点连接到直流单电源b11和b12的连接点。以相同方式，其中二极管D1和D5串联连接的二极管串联臂DA2连接在半导体开关Q2和Q3的连接点与半导体开关Q6和Q7的连接点之间，并且二极管串联臂DA2内部的串联连接点连接到直流单电源b12和b21的连接点。其中二极管D3和D6串联连接的二极管串联臂DA3连接在半导体开关Q3和Q4的连接点与半导体开关Q7和Q8的连接点之间，并且二极管串联臂DA3内部的串联连接点连接到直流单电源b21和b22的连接点。在此，当每一直流单电源的电压为E且直流组合电源BA2的中间连接点的电位为0时，直流组合电源BA2的正端子的电位为+2E，而负端子的电位为-2E。
在这种电路配置的情况下，+2E的电压在半导体开关Q1至Q4导通且半导体开关Q5至Q8截止时被输出到交流输出点U，而+1E的电压在半导体开关Q2至Q5导通且半导体开关Q6至Q8以及Q1截止时被输出到交流输出点U。同样，零电压在半导体开关Q3至Q6导通且Q7、Q8、Q1和Q2截止时被输出到交流输出点U。-1E的电压在半导体开关Q4至Q7导通且Q1至Q3以及Q8截止时被输出到交流输出点U，而-2E的电压在半导体开关Q5至Q8导通且Q1至Q4截止时被输出到交流输出点U。通过以此方式调节半导体开关Q1至Q8中的每一个的导通-截止操作，有可能将五级电压输出至交流输出点U。在JP-A-2006-271042中公开了图10所示的电路的具体操作。
在图10所示的电路中，当电压从直流组合电源BA2输出至交流输出点U时电流通过的半导体开关的数量是最大值为四个串联。为此，半导体开关中的稳态导通损耗增加，整个转换器的转换效率降低，并且此外，存在尺寸减小和成本降低困难的问题。
同样，由于在直流单电源b11、b12、b21和b22之间的划分的功率原则上不相等，因此即使当从交流输出点U输出的电压和电流具有正/负对称交流波形时，也需要独立的直流电源。为此，在作为输入的直流组合电源BA2中需要可独立供电的四个单电源，并且这极大地限制了转换器的制造。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种五级功率转换器，其中与以前已知的情况相比，通过减少输出电流通过的半导体开关的数量来减少发生的损耗，并且此外，其中有可能用作为直流输入电源的两个单电源操作。
为了解决以前所描述的问题，在本发明的第一方面，五级功率转换设备包括：直流电源电路，其中第一和第二直流电源串联连接，并且该直流电源电路包括三个端子；并联连接到直流电源电路的第一半导体开关串联电路，其中其二极管各自反并联连接的2N(N是大于等于2的整数)个半导体开关元件串联连接；由两个串联连接的其中二极管各自反并联连接的半导体开关元件构成的、并联连接到第二半导体开关串联电路的第三半导体开关串联电路，该第三半导体开关串联电路是连接到第一半导体开关串联电路内部的中间连接点的两个半导体开关元件的串联连接电路部分；并联连接到第三半导体开关串联电路的电容器；以及连接在第三半导体开关串联电路内部的串联连接点与第一和第二直流电源的串联连接点之间的第一交流开关，其中第二半导体开关串联电路内部的串联连接点被用作交流端子。
在本发明的第二方面，第二交流开关连接在第二半导体开关串联电路内部的串联连接点与第三半导体开关串联电路内部的串联连接点之间。
在本发明的第三方面，第一半导体开关串联电路中的、除构成第二半导体开关串联电路的半导体开关元件以外的半导体开关元件各自由单独的控制信号驱动。
在本发明中，五级功率转换设备包括：直流电源电路，其中第一和第二直流电源串联连接，并且该直流电源电路包括三个端子；并联连接到直流电源电路的第一半导体开关串联电路，其中二极管各自反并联连接的2N(N是大于等于2的整数)个半导体开关元件串联连接；由两个串联连接的其中二极管各自反并联连接的半导体开关元件构成的、并联连接到第二半导体开关串联电路的第三半导体开关串联电路，该第三半导体开关串联电路是连接到第一半导体开关串联电路内部的中间连接点的两个半导体开关元件的串联连接电路部分；并联连接到第三半导体开关串联电路的电容器；以及连接在第三半导体开关串联电路内部的串联连接点与第一和第二直流电源的串联连接点之间的第一交流开关，其中第二半导体开关串联电路内部的串联连接点被用作交流端子。作为其结果，有可能从两个直流电源输出五级电压，并且有可能减少电流通过的半导体元件的数量。同样，通过将第二交流开关连接在第二半导体开关串联电路内部的串联连接点与第三半导体开关串联电路内部的串联连接点之间，有可能进一步减少电流通过的半导体元件的数量。结果，有可能增加转换器的效率，降低该转换器的价格，减小该转换器的尺寸。
附图说明
图1是示出本发明的第一实施例的电路图；
图2示出图1的交流输出波形的示例；
图3是示出图1的电路的操作模式的模式图；
图4是示出本发明的第二实施例的电路图；
图5是示出图4的电路的操作模式的模式图；
图6是示出本发明的第三实施例的电路图；
图7是示出图6的电路的操作模式的模式图；
图8是示出本发明的第四实施例的电路图；
图9是示出图8的电路的操作模式的模式图；以及
图10是现有技术的五级逆变器电路的示例。
具体实施方式
本发明的要点在于，其包括直流电源电路，其中第一和第二直流电源串联连接，并且该直流电源电路包括三个端子；并联连接到直流电源电路的第一半导体开关串联电路，其中其二极管各自反并联连接的2N(N是大于等于2的整数)个半导体开关元件串联连接；由两个串联连接的其中二极管各自反并联连接的半导体开关元件构成的、并联连接到第二半导体开关串联电路的第三半导体开关串联电路，该第三半导体开关串联电路是连接到第一半导体开关串联电路内部的中间连接点的两个半导体开关元件的串联连接电路部分；并联连接到第三半导体开关串联电路的电容器；以及连接在第三半导体开关串联电路内部的串联连接点与第一和第二直流电源的串联连接点之间的第一交流开关，其中第二半导体开关串联电路内部的串联连接点被用作交流端子。
第一实施例
图1示出本发明的第一实施例。图1是示出五级逆变器的一相的电路图。有可能通过使用三个这种电路来实现三相逆变器，并且通过使用两个这种电路来实现单相逆变器。在各自具有2E电压的直流单电源b1和b2串联连接的配置中，直流组合电源BA1包括三个端子：正端子、零端子和负端子。这是将IGBT应用为半导体开关的一个示例。五级逆变器电路是，其中半导体开关Q2和Q3串联连接的半导体开关串联电路QA1、其中半导体开关Q5和Q6串联连接的半导体开关串联电路QA2、以及电容器C 1并联连接，半导体开关Q1连接在直流组合电源BA1的正端子与半导体开关串联电路QA1的一个端子之间，半导体开关Q4连接在直流组合电源BA1的负端子与半导体开关串联电路QA1的另一端子之间，其中具有反向耐压的半导体开关(反向阻断的半导体开关)QR1和QR2反并联连接的交流开关SW1连接在半导体开关串联电路QA2的中间连接点与直流组合电源BA1的零端子之间，并且半导体开关串联电路QA1内部的串联连接点用作交流输出点U。
具有这种电路配置的操作波形的示例在图2中示出，而操作模式在图3中示出。“模式1”是其中半导体开关Q1和Q2导通、Q4和交流开关SW1的半导体开关QR1截止、以及+2E的电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的半导体开关是两个开关Q1和Q2。此外，通过将半导体开关Q5和Q3截止且将Q6导通，施加到半导体开关的电压如下。即，施加到半导体开关QR1的电压被箝位在通过从直流单电源b1的电压2E减去电容器C1的电压VC1所获取的电压，施加到半导体开关Q4的电压被箝位在通过从直流组合电源BA1的正端子与负端子之间的电压4E减去电容器C1的电压VC1所获取的电压，而施加到半导体开关Q5的电压被箝位在电容器C1的电压VC1。此时，当电容器C1的电压VC1被控制到1E时，交流开关SW1以及半导体开关Q3、Q5和Q4的箝位电压分别为1E、1E、1E和3E。
“模式2”是其中Q1和Q3导通，Q2、Q4、Q5和SW1的QR1截止，以及通过从+2E的电压减去电压VC1所获取的电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的半导体开关是两个开关Q1和Q3。此外，通过将半导体开关Q6导通，施加到交流开关SW1的电压被箝位在通过从直流单电源b1的电压2E减去电容器C1的电压VC1所获取的电压，并且施加到半导体开关Q2和Q5的电压被箝位在VC1。同样，当电容器C1的电压VC 1被控制到1E时，交流输出点U的电压为+1E，并且交流开关SW1以及半导体开关Q2、Q5和Q4的箝位电压分别为1E、1E、1E和3E。
“模式3”是其中交流开关SW1以及半导体开关Q2和Q6导通、半导体开关Q1、Q3、Q4和Q5截止、以及+VC1的电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的三个半导体开关是交流开关SW1以及半导体开关Q6和Q2。同样，当电容器C1的电压VC1被控制到+1E时，交流输出点U的电压为+1E，并且半导体开关Q1、Q3、Q4和Q5的箝位电压分别为1E、1E、2E和1E。
“模式4”是其中交流开关SW1以及半导体开关Q3和Q6导通、半导体开关Q1、Q2、Q4和Q5截止、以及零电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的三个半导体开关是交流开关SW1以及半导体开关Q6和Q3。同样，当电容器C1的电压VC1被控制到+1E时，半导体开关Q1、Q2、Q4和Q5的箝位电压分别为1E、1E、2E和1E。
“模式5”是其中交流开关SW1以及半导体开关Q5和Q2导通、半导体开关Q1、Q3、Q4和Q6截止、以及零电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的三个半导体开关是交流开关SW1以及半导体开关Q5和Q2。同样，当电容器C1的电压VC1被控制到+1E时，半导体开关Q1、Q3、Q4和Q6的箝位电压分别为2E、1E、1E和1E。
“模式6”是其中交流开关SW1以及半导体开关Q3和Q5导通、半导体开关Q1、Q2、Q4和Q6截止、以及-VC1的电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的三个半导体开关是交流开关SW1以及半导体开关Q5和Q3。同样，当电容器C1的电压VC1被控制到+1E时，交流输出点U的电压为-1E，并且半导体开关Q1、Q2、Q4和Q6的箝位电压分别为2E、1E、1E和1E。
作为“模式7”的条件，其是其中当半导体开关Q2和Q4导通、半导体开关Q1、Q3和Q6以及交流开关SW1的半导体开关QR2截止、+VC1为-2E的电压被输出到交流输出点U时的模式。此时，输出电流通过的半导体开关是两个开关Q4和Q2。此外，通过将半导体开关Q5导通，施加到交流开关SW1的电压被箝位在通过将电容器C1的电压VC1加到直流单电源b2的电压(-2E)所获取的电压，并且施加到半导体开关Q3和Q6的电压被箝位在电容器C1的电压VC1。同样，当电容器C1的电压VC1被控制到1E时，交流输出点U的电压为-1E，并且交流开关SW1以及半导体开关Q1、Q3和Q6的箝位电压分别为1E、3E、1E和1E。
“模式8”是其中半导体开关Q3和Q4导通、半导体开关Q1和交流开关SW1的半导体开关QR1截止、以及-2E的电压被输出到交流输出点U的模式。此时，输出电流通过的半导体开关是两个开关Q3和Q4。此外，通过将半导体开关Q2和Q6截止且将Q5导通，施加到交流开关SW1的电压被箝位在通过将电容器C1的电压VC1加到直流单电源b2的电压(-2E)所获取的电压，施加到半导体开关Q1的电压被箝位在通过从直流组合电源BA1的正端子与负端子之间的电压4E减去电容器C1的电压VC1所获取的电压，并且施加到半导体开关Q6的电压被箝位在VC1。此时，当电容器C1的电压VC1被控制到1E时，交流开关SW1以及半导体开关Q1、Q2和Q6的箝位电压分别为1E、3E、1E和1E。
根据“模式1”至“模式8”，五级电压+2E、+1E、0、-1E和-2E可被输出到交流输出点U。在此，虽然“模式2”和“模式3”两者都具有+1E的输出，但是当考虑来自交流输出点U的交流输出电流i的取向为正时，电容器C1在“模式2”中充电，相反，电容器C1在“模式3”中放电。以相同的方式，当-1E被输出到交流输出点U时，相同的关系还适用于“模式6”和“模式7”。为此，通过在+1E的电压被输出到交流输出点U时任选地选择“模式2”或“模式3”，以及在输出-1E时任选地选择“模式6”或“模式7”，调节电容器C1的电压VC1是可能的，并且有可能将VC1恒定地控制到1E附近。
第二实施例
图4示出本发明的第二实施例的电路图，并且图5示出其操作模式。与第一实施例的差异在于这一点，其中具有反向耐压的半导体开关QR3和QR4反并联连接的交流开关SW2附加地连接在其中半导体开关Q2和Q3串联连接的半导体开关串联电路QA1内部的串联连接点与其中半导体开关串联电路Q5和Q6串联连接的半导体开关串联电路AQ2内部的串联连接点之间。半导体开关的操作是，在从“模式1”到“模式8”的所有模式中，半导体开关Q1至Q6以及交流开关SW1的操作与第一实施例的电路(图1)相同。同样，半导体开关QR3和QR4以及添加的交流开关SW2的操作是，QR3在“模式1”至“模式3”中的每一个中截止且在“模式4”至“模式8”中的每一个中导通，而QR4在“模式1”至“模式5”中的每一个中导通且在“模式6”至“模式8”中的每一个中截止。
根据这些操作，由于当零电压在“模式4”和“模式5”中被输出到交流输出点U时SW2导通，因此在任一模式中输出电流只通过两个半导体(即交流开关SW1和SW2)，这比第一实施例的三个开关少(图1)。因此，导通损耗减少，并且有可能增加转换效率。
第三实施例
图6示出本发明的第三实施例，并且图7示出其操作模式。与第二实施例(图4)的差异在于：半导体开关Q1改变成半导体开关Q1a和Q1b的串联电路，并且半导体开关Q4改变成半导体开关Q4a和Q4b的串联电路。在此，每一改变的半导体开关的操作如下。在“模式1”和“模式2”中，半导体开关Q1a和Q1b两者都导通，而半导体开关Q4a和Q4b两者都截止。在“模式3”和“模式4”中，半导体开关Q1a和Q1b中的仅一个导通，而半导体开关Q4a和Q4b两者都截止。在“模式5”和“模式6”中，半导体开关Q1a和Q1b两者都截止，而半导体开关Q4a和Q4b中仅一个导通。在“模式7”和“模式8”中，Q1a和Q1b两者都截止，而Q4a和Q4b两者都导通。
通过采取这种操作，有可能用具有在第二实施例(图4)中的半导体开关Q1和Q4原则上所需的3E的耐压的一半的范围内的耐压的半导体开关代替半导体开关Q1a、Q1b、Q4a和Q4b。在此情况下，由于存在使用在多个模式之间变换的操作中具有低耐压的半导体元件进行的单独开关，因此开关损耗减少，并且有可能减少损耗。例如，IGBT开关特性和具有若干kV或更大的高耐压的IGBT的稳态损耗特性比具有低耐压的IGBT的特性糟得多。为了解决该问题，有可能应用通过使用本实施例的技术而具有低耐压和优良特性的元件，并且有可能降低转换损耗。
第四实施例
图8示出本发明的第四实施例，并且图9示出其操作模式。与第二实施例(图4)的差异在于：半导体开关Q1改变成半导体开关Q1a、Q1b和Q1c的串联电路，并且半导体开关Q4改变成半导体开关Q4a、Q4b和Q4c的串联电路。在此，每一改变的半导体开关的操作如下。在“模式1”和“模式2”中，半导体开关Q1a至Q1c都导通，而半导体开关Q4a至Q4c都截止。在“模式3”和“模式4”中，半导体开关Q1a至Q1c中的仅一个截止，而半导体开关Q4a至Q4c中的仅一个导通。在“模式5”和“模式6”中，半导体开关Q1a至Q1c中的仅一个导通，而半导体开关Q4a至Q4c中的仅一个截止。在“模式7”和“模式8”中，半导体开关Q1a至Q1c都截止，而半导体开关Q4a至Q4c都导通。
通过采取这种操作，有可能用具有1E耐压的半导体开关来替代半导体开关Q 1a至Q1c以及Q4a至Q4c，该耐压是图4中的Q1和Q4原则上所需的3E耐压的三分之一。因此，有可能应用耐受原则上施加到图8中的所有半导体开关的1E电压的半导体。具体而言，当配置具有若干kV或更大的高电压输出的转换器时，有可能应用具有低耐压的、容易得到的、高性能的、低价的IGBT，并且有可能有助于增加转换器的效率和降低该转换器的价格。
在该实施例中，给出当反向阻断的IGBT反并联连接作为交流开关时的示例，但是交流开关还可用其中没有反向耐压的半导体开关和二极管组合的配置来实现。同样，在该实施例中，给出具有从直流产生交流的逆变器电路的示例的描述，但是本发明还适用于从交流产生直流的转换器。
本发明是一种用于在配置高电压、大容量转换器时的电路技术，并且适用于马达驱动逆变器、电网连接转换器、直流电源等。

Claims (3)

1.一种五级功率转换器，包括：
直流电源电路，其中第一和第二直流电源串联连接，并且所述直流电源电路包括三个端子；
并联连接到所述直流电源电路的第一半导体开关串联电路，其中其二极管各自反并联连接的2N(N是大于等于2的整数)个半导体开关元件串联连接；
由两个串联连接的其中二极管各自反并联连接的半导体开关元件构成的、并联连接到第二半导体开关串联电路的第三半导体开关串联电路，所述第三半导体开关串联电路是连接到所述第一半导体开关串联电路内部的中间连接点的两个半导体开关元件的串联连接电路部分；
并联连接到所述第三半导体开关串联电路的电容器；以及
连接在所述第三半导体开关串联电路内部的串联连接点与所述第一和第二直流电源的串联连接点之间的第一交流开关，其中
所述第二半导体开关串联电路内部的串联连接点被用作交流端子。
2.如权利要求1所述的五级功率转换器，其特征在于，
第二交流开关连接在所述第二半导体开关串联电路内部的串联连接点与所述第三半导体开关串联电路内部的串联连接点之间。
3.如权利要求1所述的五级功率转换器，其特征在于，
所述第一半导体开关串联电路中的、除构成所述第二半导体开关串联电路的半导体开关元件以外的半导体开关元件各自由单独的控制信号驱动。
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