CN103944434B - 一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，其中，每个功率模块中的静态均压系统包括：均压电阻、可控开关以及自取电控制系统。由于自取电控制系统的可控开关与每个功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号相关联，因此，在预充电过程中，每个功率模块的静态均压系统投入，可以有效控制链式多电平变流器功率模块的静态直流电压均衡；预充电结束后，功率模块中的静态均压系统退出，功率模块逆变桥中功率器件的动态均压系统投入，从而最大程度上降低链式多电平变流器的损耗，提高效率。

Description

一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种链式多电平变流器功率模块静态均压系统，应用于需要链式多电平变流器等较高耐压水平的电力电子设备。

背景技术

链式多电平变流器在预充电过程中，流过串联功率模块的电流是相同的。如果功率模块的元器件参数完全一致，理论上所有功率模块的电压在预充电过程中是同步上升并保持一致的，充电结束后也会达到相同的直流电压Udc。但实际上，元器件不可避免的存在各种差异，从而造成功率模块内的损耗并不完全一致。

实际测量结果表明，在预充电过程中，由开关电源等恒功率负载产生的功耗占据了功率模块总损耗中的主要部分，也就是说，功率模块在预充电过程中的损耗可近似认为是开关电源等恒功率负载产生的。链式多电平变流器功率模块之间小幅的恒功率负载损耗差异就会导致功率模块的直流电压之间出现显著的不平衡。在预充电启动后一定时间内，功率模块的直流电压会逐渐发散，一部分功率模块的直流电压持续下降，而另一部分功率模块的直流电压则会继续上升，从而导致功率模块直流电压失稳。功率模块的直流电压低于开关电源的启动电压时，会影响功率模块甚至链式多电平变流器的正常运行，而功率模块直流电压的持续上升很容易造成直流电容和电力电子器件因过压损坏，这对于高压大容量的链式多电平变流器设备是非常危险的。

对于链式多电平变流器功率模块，最有效的静态均压电路是在功率模块直流电容的两端并联均压电阻，该方法简单易行，但并联均压电阻始终处于工作状态，无形中增加了链式多电平变流器的损耗。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，能够在有效控制链式多电平变流器功率模块静态直流电压均衡的同时，最大程度上降低链式多电平变流器的损耗，提高效率。

为解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：

一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，所述静态均压系统包括均压电阻、可控开关以及自取电控制系统，其特征在于：

所述均压电阻与可控开关组成串联支路，所述串联支路与功率模块中母线电容并联；

所述自取电控制系统包括一个或一组电阻、稳压管、滤波电容以及光电耦合元器件组成，

其中，所述稳压管、光耦合元器件以及滤波电容并联形成一并联支路；

所述一个或一组电阻与所述并联支路串联形成自取电控制系统；

所述自取电控制系统与所述功率模块中的母线电容并联；

所述自取电控制系统中的所述一个或一组电阻与所述稳压管的节点与所述可控开关的控制端连接。

本发明还优选以下方案：

所述自取电控制系统中的稳压管与所述可控开关之间还串联一分压限流电阻。

所述光电耦合元器件的控制信号为本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号。

所述光电耦合元器件对本可控开关的栅极电压VGE进行控制，从而实现了所述功率模块静态均压系统的可控开关和本功率模块直流高压电路的隔离。

本申请还公开了一种基于前述静态均压系统的链式多电平变流器功率模块，其特征在于：

所述功率模块均包括：逆变桥、母线电容、开关电源和静态均压系统；

所述每个功率模块中的逆变桥交流侧为所述功率模块的输入端，所述每个功率模块中的逆变桥直流侧为所述功率模块的母线电容；

所述每个功率模块中的开关电源输入端与所述功率模块中的母线电容或功率模块的输入端连接，所述每个功率模块中的开关电源输出端为所述功率模块的就地控制板。

一种包括前述功率模块的链式多电平变流器，其特征在于：

所述链式多电平变流器由三路分别接入三相电网侧的链式功率模块组成，每一路链式功率模块均包括两个或两个以上相互串联的功率模块。

所述光电耦合元器件的控制信号为本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号：预充电过程中，所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常开，本功率模块中的静态均压系统投入；当预充电结束后，本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常闭，本功率模块中的静态均压系统退出。所述光电耦合元器件对本可控开关的栅极电压VGE进行控制，从而实现了所述功率模块静态均压系统的可控开关和本功率模块直流高压电路的隔离。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，其中，每个功率模块中的静态均压系统包括：均压电阻、可控开关以及自取电控制系统。由于自取电控制系统的可控开关与每个功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号相关联，因此，在预充电过程中，功率模块的静态均压系统投入，可以有效控制链式多电平变流器功率模块的静态直流电压均衡；预充电结束后，功率模块中的静态均压系统退出，功率模块逆变桥中功率器件的动态均压系统投入，从而最大程度上降低链式多电平变流器的损耗，提高效率。

附图说明

图1为链式多电平变流器的结构示意图；

图2为静态均压系统的结构示意图；

图3自取电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，能够在有效控制链式多电平变流器功率模块静态直流电压均衡的同时，最大程度上降低链式多电平变流器的损耗，提高效率。

如图1所示，本发明公开的一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统。其中，链式多电平变流器由三路分别接入三相电网侧的链式功率模块组成，每一路链式功率模块均包括两个或两个以上相互串联的功率模块。其中：

每个功率模块均包括：逆变桥、母线电容C、开关电源、静态均压系统。其中：

每个功率模块中的逆变桥交流侧为本功率模块的输入端，每个功率模块中的逆变桥直流侧为本功率模块的母线电容C；

每个功率模块中的开关电源输入端与本功率模块中的母线电容C或本功率模块的输入端连接，每个功率模块中的开关电源输出端为本功率模块的就地控制板。

如图2所示，每个功率模块中的静态均压系统包括：均压电阻R1、可控开关Q1以及自取电控制系统。其中：

所述均压电阻R1以及与本均压电阻R1串联的可控开关Q1的串联支路与本功率模块中母线电容C并联。

如图3所示，所述自取电控制系统由一个或一组电阻R21、与本电阻串联的稳压管D2、与本稳压管D2并联的滤波电容C2以及与本稳压管D2并联的光电耦合元器件OC2组成，所述自取电控制系统与本功率模块中母线电容C并联。其中：

所述稳压管D2为本可控开关Q1提供栅极电压VGE。优选地，所述自取电控制系统中的稳压管D2与本可控开关Q1之间串联一定大小的分压限流电阻R22。

所述光电耦合元器件OC2的控制信号为本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号：预充电过程中，所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常开，本功率模块中的静态均压系统投入；当预充电结束后，本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常闭，本功率模块中的静态均压系统退出。所述光电耦合元器件OC2对本可控开关Q1的栅极电压VGE进行控制，从而实现了所述功率模块静态均压系统的可控开关和本功率模块直流高压电路的隔离。

本申请还公开了一种基于前述静态均压系统的链式多电平变流器功率模块，所述功率模块均包括：逆变桥、母线电容、开关电源和静态均压系统；所述每个功率模块中的逆变桥交流侧为所述功率模块的输入端，所述每个功率模块中的逆变桥直流侧为所述功率模块的母线电容；所述每个功率模块中的开关电源输入端与所述功率模块中的母线电容或功率模块的输入端连接，所述每个功率模块中的开关电源输出端为所述功率模块的就地控制板。

一种包括前述功率模块的链式多电平变流器，所述链式多电平变流器由三路分别接入三相电网侧的链式功率模块组成，每一路链式功率模块均包括两个或两个以上相互串联的功率模块。

在本申请中，所述光电耦合元器件的控制信号为本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号：预充电过程中，所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常开，本功率模块中的静态均压系统投入；当预充电结束后，本功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常闭，本功率模块中的静态均压系统退出。所述光电耦合元器件对本可控开关的栅极电压VGE进行控制，从而实现了所述功率模块静态均压系统的可控开关和本功率模块直流高压电路的隔离。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开的一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，其中，每个功率模块中的静态均压系统包括：均压电阻、可控开关以及自取电控制系统。由于自取电控制系统的可控开关与每个功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号相关联，因此，在预充电过程中，功率模块的静态均压系统投入，可以有效控制链式多电平变流器功率模块的静态直流电压均衡；预充电结束后，功率模块中的静态均压系统退出，功率模块逆变桥中功率器件的动态均压系统投入，从而最大程度上降低链式多电平变流器的损耗，提高效率。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种链式多电平变流器功率模块的静态均压系统，所述静态均压系统包括均压电阻、可控开关以及自取电控制系统，其特征在于：

所述均压电阻与可控开关组成串联支路，所述串联支路与功率模块中母线电容并联；

所述自取电控制系统包括一个或一组电阻、稳压管、滤波电容以及光电耦合元器件，

其中，所述稳压管、光电耦合元器件以及滤波电容并联形成一并联支路；

所述一个或一组电阻与所述并联支路串联形成自取电控制系统；

所述自取电控制系统与所述功率模块中的母线电容并联；

所述自取电控制系统中的所述一个或一组电阻与所述稳压管的节点与所述可控开关的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的静态均压系统，其特征在于：

所述自取电控制系统中的稳压管与所述可控开关之间还串联一分压限流电阻。

3.根据权利要求1所述的静态均压系统，其特征在于：

所述光电耦合元器件的控制信号为所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号。

4.根据权利要求1所述的静态均压系统，其特征在于：

所述光电耦合元器件能够对所述可控开关的栅极电压进行控制。

5.一种包括权利要求1-4任一权利要求所述的静态均压系统的链式多电平变流器功率模块，其特征在于：

所述功率模块均包括：逆变桥、母线电容、开关电源和静态均压系统；

所述每个功率模块中的逆变桥交流侧为所述功率模块的输入端，所述每个功率模块中的逆变桥直流侧为所述功率模块的母线电容；

所述每个功率模块中的开关电源输入端与所述功率模块中的母线电容或功率模块的输入端连接，所述每个功率模块中的开关电源输出端为所述功率模块的就地控制板。

6.根据权利要求5所述的多电平变流器功率模块，其特征在于：

预充电过程中，所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常开，所述功率模块中的静态均压系统投入；当预充电结束后，所述功率模块逆变桥中功率器件的解锁信号为常闭，功率模块中的静态均压系统退出。

7.一种包括权利要求5或6所述的功率模块的链式多电平变流器，其特征在于：

所述链式多电平变流器由三路分别接入三相电网侧的链式功率模块组成，每一路链式功率模块均包括两个或两个以上相互串联的功率模块。