CN102882409A - 基于耦合电感单相九电平功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种基于耦合电感单相九电平功率变换器，由二极管箝位三电平结构的两个桥臂、两电平结构的单个桥臂、两个均压电容和两个耦合电感构成。所述两电平结构单个桥臂的输出端作为所述基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器输出端的一个端子。二极管箝位三电平结构两个桥臂的输出端分别与两个耦合电感的两个非公共连接点相连，两个耦合电感的公共连接点作为所述基于耦合电感单相九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，也可由三个该变换器构成三相九电平功率变换器应用于三相场合；在需要高电压的场合，亦可通过本发明的级联构成更多电平数的功率变换器。

Description

基于耦合电感单相九电平功率变换器

技术领域

本发明涉及多电平电力电子功率变换器，特别涉及一种单相九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。

多电平电力电子功率变换器主要有二极管箝位式、飞跨电容式、级联式H桥式三种类型拓扑结构。当变流器输出电平数比较多时，二极管箝位式拓扑结构将需要大量的箝位二极管，并要考虑直流侧电容电压平衡，基于可靠性及复杂性的原因，限制了它的应用。对于飞跨电容型多电平变流器，其优点是具有较多的输出电平组合，从而可以通过优化调制策略来平衡电容器的电压；缺点是当变换器的电平数增加时，需要大量的储存电容器，拓扑结构较复杂。级联式H桥多电平变流器由于采用H桥作为基本功率单元，具有模块化布局与封装的优点，并没有直流侧电压不平衡的问题；但是，需要额外的独立直流电源。

与基于耦合电感单相五电平电压型功率变换器相比，所述的基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器在增加四个IGBT、八个二极管器件后，输出电压由五电平提升到九电平结构，从而可以降低电流总谐波畸变率，进一步提高系统运行性能。与二极管箝位三电平结构相比，所述的基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器在增加两个IGBT、两个耦合电感后，输出电压由五电平提升到九电平结构。

发明内容

本发明旨在基于耦合电感单相五电平功率变换器的基础上，提出一种基于耦合电感单相九电平功率变换器。本发明不存在直流电容均压问题，并提高输出电压电平数，在降低输出电压、电流谐波含量的同时提高多电平功率变换器的运行可靠性。

本发明由二极管箝位三电平结构的两个桥臂、两电平结构的单个桥臂、两个均压电容和两个耦合电感构成。三个所述的桥臂由电力电子功率器件构成。两电平结构单个桥臂的输出作为本发明基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器输出端的一个端子；二极管箝位三电平结构两个桥臂的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九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。

本发明基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器具有以下特点和优势：

1.可以产生九电平的输出电压，输出电压谐波含量小，不存在直流电容均压问题，系统运行可靠性高。

2.输出电压的最小电平值为直流电压的1/4，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。

3.只需要在二极管箝位三电平结构基础上加入两个耦合电感及两电平结构的单个桥臂即可实现，结构简单，十分便于生产制造。

4.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为本发明单相九电平功率变换器的电路原理图；

图2为本发明单相九电平功率变换器输出电压u_ad的仿真波形图；

图3为输入电压、电流的仿真计算波形图；

图4为两均压电容电压仿真计算波形图；

图5为两耦合电感电流仿真计算波形图；

图6为耦合电感电压u_bc仿真计算波形图；

图7为耦合电感电压u_bc的频谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

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至第十全控型电力电子开关器件S₁-S₁₀和第一至第十四二极管D₁-D₁₄构成。以下以S₁-S₁₀选用IGBT的情况为例，说明各个器件之间的连接方式：

如图1所示，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a。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、第五开关S₅、第六开关S₆，以及第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第十一二极管D₁₁、第十二二极管D₁₂构成。第三开关S₃的发射极与第四开关S₄的集电极相连;第五开关S₅的发射极与第六开关S₆的集电极相连;第四开关S₄的发射极与第五开关S₅的集电极相连构成第二桥臂的输出端b；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；第十一二极管D₁₁的正极与第十二二极管D₁₂的负极相连，第十一二极管D₁₁的负极与第三开关S₃的发射极相连，第十二二极管D₁₂的正极与第五开关S₅的发射极相连；第三桥臂由第七开关S₇、第八开关S₈、第九开关S₉、第十开关S₁₀，以及第七二极管D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十三二极管D₁₃、第十四二极管D₁₄构成。第七开关S₇的发射极与第八开关S₈的集电极相连；第九开关S₉的发射极与第十开关S₁₀的集电极相连；第八开关S₈的发射极与第九开关S₉的集电极相连构成第三桥臂的输出端c；第七二极管D₇的正极与第七开关S₇的发射极相连，第七二极管D₇的负极与第七开关S₇的集电极相连；第八二极管D₈的正极与第八开关S₈的发射极相连，第八二极管D₈的负极与第八开关S₈的集电极相连；第九二极管D₉的正极与第九开关S₉的发射极相连，第九二极管D₉的负极与第九开关S₉的集电极相连；第十二极管D₁₀的正极与第十开关S₁₀的发射极相连，第十二极管D₁₀的负极与第十开关S₁₀的集电极相连；第十三二极管D₁₃的正极与第十四二极管D₁₄的负极相连，第十三二极管D₁₃的负极与第七开关S₇的发射极相连，第十四二极管D₁₄的正极与第九开关S₉的发射极相连；第一开关S₁、第三开关S₃和第七开关S₇的集电极均连接到均压电容上电容C_d1的正极；第二开关S₂、第六开关S₆和第十开关S₁₀的发射极均连接到均压电容下电容C_d2的负极；均压电容下电容C_d1的负极连接到均压电容上电容C_d2的正极；第十一二极管D₁₁的正极与第十三二极管D₁₃的正极均连接到均压电容上电容C_d1的负极。第一桥臂输出端a作为基于耦合电感单相九电平功率变换器输出端的第一端子1，第二桥臂的输出端b和第三桥臂的输出端c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基于耦合电感单相九电平功率变换器输出端的第二端子2。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。

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基于耦合电感单相九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。以两均压电容的中点n点作为参考点，则有如下动态电压方程：

Mdi_b/dt-Mdi_c/dt=u_bn-u_dn    (1)

Mdi_c/dt-Mdi_b/dt=u_cn-u_dn    (2)

式中i_b、i_c为耦合电感电流，u_bn、u_cn为两个耦合电感非公共端相对两电容中点的电压，u_dn为两个耦合电感公共连接点相对两电容中点的电压。

同时，根据基尔霍夫定律有：

i_b+i_c=i_d    (3)

式中i_d为耦合电感公共连接点输出电流。

解方程(1)-(3)式可得：

u_dn=(u_bn+u_cn)/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，单相九电平功率变换器的输出电压为：

u_ad=u_an-u_dn=u_an-(u_bn+u_cn)/2    (5)

式中u_an为第一桥臂输出端相对两电容中点的电压、u_ad为变换器输入电压。

两电平结构单个桥臂的两个开关器件为互补工作方式，即只有两种开关状态。当第一开关S₁开通时，第二开关S₂必须关断；第二开关S₂开通时，第一开关S₁必须关断。因此，u_an可输出两个电平的电压，即+u_d和-u_d。二极管嵌位三电平结构两个桥臂的八个开关器件中第三开关S₃与第五开关S₅为互补工作方式、第四开关S₄与第六开关S₆为互补工作方式、第七开关S₇与第九开关S₉为互补工作方式、第八开关S₈与第十开关S₁₀为互补工作方式，因此，u_bn和u_cn均可输出三个电平的电压，即+u_d、0、-u_d。故由(5)式可知，u_ad可以输出九个电平的电压，即+2u_d、+1.5u_d、+u_d、+0.5u_d、0、-0.5u_d、-u_d、-1.5u_d和-2u_d。因此，选择合适的调制方式，即可实现单相九电平功率变换器的输出电压为九电平。图2为本发明单相九电平功率整流器输出电压u_ad的仿真计算波形图，图3为输入电压、电流的仿真计算波形图，单位功率因数为1运行，图4为两均压电容电压仿真计算波形图，图5为两耦合电感电流仿真计算波形图，图6为耦合电感电压u_bc仿真计算波形图，图7为u_bc的频谱分析图。仿真参数为：输入电压u_s=45V，输入电压频率为50Hz，直流母线参考电压u_{dc_ref}=80V，调制方式为正弦脉宽调制，载波频率为1.4kHz，两个耦合电感的主自感为3mH，负载为纯电阻负载R=11.7Ω。两倍频LC滤波器电感为0.79mH，两倍频LC滤波器电容3.2mF，两均压电容分别为8.8mF。由这些仿真计算结果可见，单相九电平功率变换器输出电压u_ab为九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。两均压电容可以达到自均衡效果，不需要进行均压控制，简化了控制算法。这些仿真计算结果表明本发明正确可行。

Claims (6)

1.一种基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于：所述基于耦合电感单相九电平功率变换器由二极管箝位三电平结构的两个桥臂、两电平结构的单个桥臂、两个均压电容和两个耦合电感构成；所述两电平结构单个桥臂的输出端作为所述基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器输出端的一个端子；二极管箝位三电平结构两个桥臂的输出端分别与所述两个耦合电感的两个非公共连接点相连，两个耦合电感的公共连接点作为所述基于耦合电感单相九电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述两个耦合电感为顺接连接。

2.如权利要求1所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于：所述的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂由第一开关至第十开关（S₁-S₁₀），以及第一至第十四二极管（D₁-D₁₄）构成，所述的第一开关至第十开关（S₁-S₁₀）为电力电子功率器件。

3.如权利要求2所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于：所述的第一开关至第十开关（S₁-S₁₀）选用IGBT；所述的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（a）；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；所述的第二桥臂由第三开关（S₃）、第四开关（S₄）、第五开关（S₅）、第六开关（S₆）、第三二极管（D₃）、第四二极管（D₄）、第五二极管（D₅）、第六二极管（D₆）、第十一二极管（D₁₁），以及第十二二极管（D₁₂）构成；第三开关（S₃）的发射极与第四开关（S₄）的集电极相连；第五开关（S₅）的发射极与第六开关（S₆）的集电极相连；第四开关（S₄）的发射极与第五开关（S₅）的集电极相连，构成第二桥臂的输出端（b）；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；第五二极管（D₅）的正极与第五开关（S₅）的发射极相连，第五极管（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；第十一二极管（D₁₁）的正极与第十二二极管（D₁₂）的负极相连，第十一二极管（D₁₁）的负极与第三开关（S₃）的发射极相连，第十二二极管（D₁₂）的正极与第五开关（S₅）的发射极相连；所述的第三桥臂由第七开关（S₇）、第八开关（S₈）、第九开关（S₉）、第十开关（S₁₀）、第七二极管（D₇）、第八二极管（D₈）、第九二极管（D₉）、第十二极管（D₁₀）、第十三二极管（D₁₃），以及第十四二极管（D₁₄）构成；第七开关（S₇）的发射极与第八开关（S₈）的集电极相连；第九开关（S₉）的发射极与第十开关（S₁₀）的集电极相连；第八开关（S₈）的发射极与第九开关（S₉）的集电极相连构成第三桥臂的输出端（c）；第七二极管（D₇）的正极与第七开关（S₇）的发射极相连，第七二极管（D₇）的负极与第七开关（S₇）的集电极相连；第八二极管（D₈）的正极与第八开关（S₈）的发射极相连，第八二极管（D₈）的负极与第八开关（S₈）的集电极相连；第九二极管（D₉）的正极与第九开关（S₉）的发射极相连，第九极管（D₉）的负极与第九开关（S₉）的集电极相连；第十二极管（D₁₀）的正极与第十开关（S₁₀）的发射极相连，第十二极管（D₁₀）的负极与第十开关（S₁₀）的集电极相连；第十三二极管（D₁₃）的正极与第十四二极管（D₁₄）的负极相连，第十三二极管（D₁₃）的负极与第七开关（S₇）的发射极相连，第十四二极管（D₁₄）的正极与第九开关（S₉）的发射极相连；第一开关（S₁）、第三开关（S₃）和第七开关（S₇）的集电极均连接到均压电容上电容（C_d1）正极；第二开关（S₂）、第六开关（S₆）和第十开关（S₁₀）的发射极均连接到均压电容下电容（C_d2）负极；均压电容上电容（C_d1）负极连接到均压电容下电容（C_d2）正极；第十一二极管（D₁₁）的正极与第十三二极管（D₁₃）的正极均连接到均压电容上电容（C_d1）负极。

4.如权利要求1所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于：所述的第一桥臂的输出端（a）作为所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器输出端的第一端子（1）；所述的第二桥臂的输出端（b）和第三桥臂的输出端（c）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基于耦合电感单相九电平功率变换器输出端的第二端子（2）。

5.如权利要求1所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于：所述的两个耦合电感顺接，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。

6.如权利要求2所述的基于耦合电感单相九电平功率变换器，其特征在于所述的第一桥臂电力电子功率器件的直流电压应力相同；所述的第二桥臂、第三桥臂电力电子功率器件的直流电压应力相同。

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