CN103701348A

CN103701348A - H桥式三相模块单元串联组合高压变换器

Info

Publication number: CN103701348A
Application number: CN201310719788.7A
Authority: CN
Inventors: 张波; 丘东元
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: CN103701348B

Abstract

本发明提供了H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其包括2N个H桥式三相模块单元、6个桥臂电感，每个H桥式三相模块单元由3个H桥开关单元及1个直流电容构成，每相H桥开关单元包含4个带续流二极管的功率开关元件，每2个功率开关元件正负极依次串联，串联中点为输出端，其中选取任何一相H桥开关单元与直流电容并联，然后三相H桥开关单元的上功率开关元件的正极相互连接。高压变换器三相桥臂的上桥臂由N个H桥式三相模块单元与桥臂电感依次串联构成，下桥臂由桥臂电感与N个H桥式三相模块单元依次串联构成，然后上下桥臂串联，上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，交流输出端接至三相星形或三角形连接方式的负载。

Description

H桥式三相模块单元串联组合高压变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及H桥式三相模块单元串联组合高压变换器拓扑的构造。

背景技术

实现高压大功率变换器的关键技术之一是大功率变换器拓扑，近几十年来国际上对高压大容量变换器进行了深入的研究，提出了众多有意义的髙压大容量拓扑。主要构造拓扑的技术包括：1、功率开关器件直接串联技术，其优点是可以直接应用现有拓扑，缺点是各功率开关器件串联存在静态和动态均压问题，对功率开关器件的开通和关断一致性要求较高，易于出现器件故障；2、多重化技术，其优点是传统H桥或者三相桥式电路通过多绕组工频变压器耦合，实现高电压、低谐波输出，缺点是需要用工频多绕组变压器，成本、损耗、复杂性增加，且有直流磁化现象；3、多电平技术，其优点是直流侧采用串联直流电容实现功率开关器件均压，缺点是功率开关器件的导通电流负荷不一致，造成各直流电容上直流电压的不平衡，且拓扑较复杂；4、模块组合多电平变换器既MMC变换器，其优点是各相桥臂根据电压等级，由多个相同的模块化功率单元和两个桥臂电感依次串联构成，实现了高度模块化，在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面比一般多电平技术具有更明显的优势，是目前高压电能变换首选的变换器。

本发明在以H桥为基本元件的MMC变换器基础上，提出一种模块化程度更高的组合平变换器。本发明提出的变换器与MMC变换器有以下不同：1、模块化功率单元不同，H桥为基本元件MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用三相桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，H桥为基本元件MMC变换器是每相模块化功率单元串联组合后、再三相组合，而本发明是三相桥式模块化功率单元串联一次组合完成。因而本发明与H桥为基本元件MMC变换器相比较，具有以下显著的优点：1、减少了元器件；2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、可靠性高；5、成本下降。

发明内容

本发明提出一种H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，与现有高压大容量变换器比较，模块化程度更高，减少了元器件，减少了功率单元数，组合简单，可靠性更高，且成本下降，在高压大容量工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。

H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其包括2N个H桥式三相模块单元和6个桥臂电感；其中高压变换器的上桥臂由N个H桥式三相模块单元串联后再相应地与3个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外3个桥臂电感的一端与另外N个H桥式三相模块单元依次串联构成，然后上桥臂的3个桥臂电感的另一端与下桥臂的3个桥臂电感的另一端串联，上桥臂与下桥的桥臂电感连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。

进一步地，所述H桥式三相模块单元由3个H桥开关单元及1个直流电容构成，所述3个H桥开关单元分别为a相H桥开关单元、b相H桥开关单元和c相H桥开关单元。

进一步地，每相H桥开关单元均各自包括4个带续流二极管的功率开关元件，其中第一开关管和第二开关管串联，第三开关管和第四开关管串联；第一开关管的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管的正极接到B端，负极接到C端；第三开关管的正极接到A端，负极接到B’端；第四开关管的正极接到B’端，负极接到C端；所述B端、B’端为输出端；选择a相或b相或c相H桥开关单元的A端接到直流电容的正极、C端接到直流电容的负极，然后三相H桥开关单元的A端相连接，构成1个H桥式三相模块单元；直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电压。

进一步地，H桥式三相模块单元串联组合高压变换器包括3种工作状态，第一种状态是上桥臂N个H桥式三相模块单元中的第一开关管和第三续流二极管或第二开关管和第四续流二极管或第三开关管和第一续流二极管或第四开关管和第二续流二极管导通，其它器件均关断；第二种状态是下桥臂N个H桥式三相模块单元中的第一开关管和第三续流二极管或第二开关管和第四续流二极管或第三开关管和第一续流二极管或第四开关管和第二续流二极管导通，其它器件均关断；第三种状态是上下桥臂2N个H桥式三相模块单元的第一开关管和第四开关管或第一续流二极管和第四续流二极管导通，其它器件均关断。

进一步地，高压变换器的上桥臂由N个串联连接的H桥式三相模块单元与3个桥臂电感连接构成，其中第一个H桥式三相模块单元每相的B端即U_a1、U_b1、U_c1端与电源V的正极相连接，B’端与第二个H桥式三相模块单元的每相的B端即U_a2、U_b2、U_c2相连接，依此规律，第i个H桥式三相模块单元的B端即U_ai、U_bi、U_ci分别连接到第i-1个H桥式三相模块单元每相的B’端，第i个H桥式三相模块单元每相的B’端分别连接到第i+1个H桥式三相模块单元的B端即U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)，N个H桥式三相模块单元连接后，第N个H桥式三相模块单元每相的B’端分别与第一电感、第二电感和第三电感连接。

进一步地，高压变换器的的下桥臂由3个桥臂电感与N个串联连接的H桥式三相模块单元依次连接构成，第四电感、第五电感和第六电感分别与第N+1个H桥式三相模块单元每相的B端即U_a(N+1)、U_b(N+1)、U_c(N+1)相连接，第N+1个H桥式三相模块单元每相的B’端与第N+2个H桥式三相模块单元的B端即U_a(N+2)、U_b(N+2)、U_c(N+2)相连接，依此规律，N个模块连接后，第2N个三相模块单元每相的B’端即a_-、b_-、c_-端连接到电源V的负极。

本发明与H桥为基本元件的MMC变换器相比，有以下不同：1、模块化功率单元不同，H桥为基本元件的MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用三相桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，H桥为基本元件的MMC变换器是每相模块化功率单元串联组合后、再三相组合，而本发明是三相桥式模块化功率单元串联一次组合完成。因而本发明与H桥为基本元件的MMC变换器相比较，具有以下显著的优点：1、减少了元器件；2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、可靠性高；5、成本下降。

附图说明

图1a~图1c是H桥式三相模块单元的结构图。

图2是本发明的H桥式三相模块单元串联组合高压变换器主电路。

图3是H桥式三相模块单元串联组合高压变换器中每相桥臂的3种工作状态图。

图4是具有2N=4个模块H桥式三相模块单元串联组合高压变换器。

图5是采用120°控制时具有2N=4个模块的H桥式三相模块单元串联组合高压变换器的输出电压波形。

图6是采用180°控制时具有2N=4个模块的H桥式三相模块单元串联组合高压变换器的输出电压波形。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

图1所示的是本发明H桥式三相模块单元，H桥式三相模块单元由3个H桥开关单元及1个直流电容构成。每个H桥开关单元包含4个带续流二极管的功率开关元件，其中第一开关管T₁和第二开关管T₂串联，第三开关管T₃和第四开关管T₄串联；第一开关管T₁的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管T₂的正极接到B端，负极接到C端；第三开关管T₃的正极接到A端，负极接到B’端；第四开关管T₄的正极接到B’端，负极接到C端；B端、B’端为输出端。选择a相或b相或c相H桥开关单元的A端接到直流电容C_E的正极、C端接到直流电容C_E的负极（直流电容C_E上的电压E为V/2N，V为输入直流电压），然后三相的H桥开关单元A端相连接，构成1个H桥式三相模块单元。

图2的H桥式三相模块单元串联组合高压变换器构成方式如下：1、上桥臂由N个H桥式三相模块单元与桥臂电感依次串联构成，a₊、b₊、c₊端既第一个H桥式三相模块单元M₁每相的B端与电源V的正极相连接，第一个H桥式三相模块单元M₁每相的B端既U_a1、U_b1、U_c1与电源V的正极相连接，B’端与第二个H桥式三相模块单元M₂的U_a2、U_b2、U_c2相连接，依此规律，H桥式三相模块单元间的连接方式为第i个H桥式三相模块单元M_i的U_ai、U_bi、U_ci分别连接到第i-1个H桥式三相模块单元M_i-1每相的B’端，第i个H桥式三相模块单元M_i每相的B’端分别连接到第i+1个H桥式三相模块单元M_i+1的U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)，N个H桥式三相模块单元连接后，第N个H桥式三相模块单元M_N每相的B’端分别与第一电感L_ap、第二电感L_bp和第三电感L_cp连接。2、下桥臂由桥臂电感与N个H桥式三相模块单元依次串联构成，第四电感L_an、第五电感L_bn和第六电感L_cn分别与第N+1个H桥式三相模块单元M_N+1每相的B端既U_a(N+1)、U_b(N+1)、U_c(N+1)相连接，第N+1个H桥式三相模块单元M_N+1每相的B’端与第N+2个H桥式三相模块单元M_N+2的U_a(N+2)、U_b(N+2)、U_c(N+2)相连接，依此规律，N个H桥式三相模块单元连接后，第2N个H桥式三相模块单元M_2N每相的B’端既a_-、b_-、c_-端连接到电源V的负极。3、将三相桥臂的上下桥臂在a、b、c点连接，然后分别引出连接到负载，负载可以是三相星形或三角形连接。

按照图1的H桥式三相模块单元拓扑，每相桥臂有3种工作状态。第一种状态是上桥臂N个H桥式三相模块单元M₁~M_N中三相H桥开关单元的第一开关管T₁和第三续流二极管D₃或第二开关管T₂和第四续流二极管D₄或第三开关管T₃和第一续流二极管D₁或第四开关管T₄和第二续流二极管D₂导通，其它器件均关断，交流输出端电压为2NE=V；第二种状态是下桥臂N个H桥式三相模块单元M_N+1~M_2N中三相H桥开关单元的第一开关管T₁和第三续流二极管D₃或第二开关管T₂和第四续流二极管D₄或第三开关管T₃和第一续流二极管D₁或第四开关管T₄和第二续流二极管D₂导通，其它器件均关断，交流输出端电压为0；第三种状态是上下桥臂2N个H桥式三相模块单元M₁~M_2N中三相H桥开关单元的第一开关管T₁和第四开关管T₄或第一续流二极管D₁和第四续流二极管D₄导通，其它器件均关断，交流输出端电压为NE=V/2。图3为各相交流输出端对应的工作波形。

图4是基于图1a的具有2N=4个H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，它由4个H桥式三相桥式模块M₁、M₂、M₃、M₄及6个桥臂电感构成，每个桥臂电感的电感值相同，均为L。若采用120^o导电方式控制，a、b、c点对电源中点电压V_a、V_b、V_c以及a相和b相上的负载线电压V_ab见图5；若采用180^o导电方式控制，a、b、c点对电源中点电压V_a、V_b、V_c以及a相和b相上的负载线电压V_ab见图6。

Claims

1.H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于：包括2N个H桥式三相模块单元和6个桥臂电感；其中高压变换器的上桥臂由N个H桥式三相模块单元串联后再相应地与3个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外3个桥臂电感的一端与另外N个H桥式三相模块单元依次串联构成，然后上桥臂的3个桥臂电感的另一端与下桥臂的3个桥臂电感的另一端串联，上桥臂与下桥的桥臂电感连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。

2.根据权利要求1所述H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，所述H桥式三相模块单元由3个H桥开关单元及1个直流电容构成，所述3个H桥开关单元分别为a相H桥开关单元、b相H桥开关单元和c相H桥开关单元。

3.根据权利要求2所述H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，每相H桥开关单元均各自包括4个带续流二极管的功率开关元件，其中第一开关管（T₁）和第二开关管（T₂）串联，第三开关管（T₃）和第四开关管（T₄）串联；第一开关管（T₁）的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管（T₂）的正极接到B端，负极接到C端；第三开关管（T₃）的正极接到A端，负极接到B’端；第四开关管（T₄）的正极接到B’端，负极接到C端；所述B端、B’端为输出端；选择a相或b相或c相H桥开关单元的A端接到直流电容（C_E）的正极、C端接到直流电容（C_E）的负极，然后三相H桥开关单元的A端相连接，构成1个H桥式三相模块单元；直流电容（C_E）上的电压E=V/2N，V为输入直流电压。

4.根据权利要求3所述H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，包括3种工作状态，第一种状态是上桥臂N个H桥式三相模块单元中的第一开关管（T₁）和第三续流二极管（D₃）或第二开关管（T₂）和第四续流二极管（D₄）或第三开关管（T₃）和第一续流二极管（D₁）或第四开关管（T₄）和第二续流二极管（D₂）导通，其它器件均关断；第二种状态是下桥臂N个H桥式三相模块单元中的第一开关管（T₁）和第三续流二极管（D₃）或第二开关管（T₂）和第四续流二极管（D₄）或第三开关管（T₃）和第一续流二极管（D₁）或第四开关管（T₄）和第二续流二极管（D₂）导通，其它器件均关断；第三种状态是上下桥臂2N个H桥式三相模块单元的第一开关管（T₁）和第四开关管（T₄）或第一续流二极管（D₁）和第四续流二极管（D₄）导通，其它器件均关断。

5.根据权利要求3所述H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，高压变换器的上桥臂由N个串联连接的H桥式三相模块单元与3个桥臂电感连接构成，其中第一个H桥式三相模块单元（M₁）每相的B端即U_a1、U_b1、U_c1端与电源（V）的正极相连接，B’端与第二个H桥式三相模块单元（M₂）的每相的B端即U_a2、U_b2、U_c2相连接，依此规律，第i个H桥式三相模块单元（M_i）的B端即U_ai、U_bi、U_ci分别连接到第i-1个H桥式三相模块单元（M_i-1）每相的B’端，第i个H桥式三相模块单元（M_i）每相的B’端分别连接到第i+1个H桥式三相模块单元（M_i+1）的B端即U_a(i+1)、U_b(i+1)、U_c(i+1)，N个H桥式三相模块单元连接后，第N个H桥式三相模块单元（M_N）每相的B’端分别与第一电感（L_ap）、第二电感（L_bp）和第三电感（L_cp）连接。

6.根据权利要求3所述H桥式三相模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，高压变换器的的下桥臂由3个桥臂电感与N个串联连接的H桥式三相模块单元依次连接构成，第四电感（L_an）、第五电感（L_bn）和第六电感（L_cn）分别与第N+1个H桥式三相模块单元（M_N+1）每相的B端即U_a(N+1)、U_b(N+1)、U_c(N+1)相连接，第N+1个H桥式三相模块单元（M_N+1）每相的B’端与第N+2个H桥式三相模块单元（M_N+2）的B端即U_a(N+2)、U_b(N+2)、U_c(N+2)相连接，依此规律，N个模块连接后，第2N个三相模块单元（M_2N）每相的B’端即a_-、b_-、c_-端连接到电源（V）的负极。