CN104410309A - 五电平电压源型变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种五电平电压源型变换装置,由4个电容C1-C4串联的直流母线电容串,第一、二开关器件串,辅助电容,2组续流电路构成一个桥臂。第一开关器件串与直流母线电容串的两端1、5并联,其连接点10与直流母线电容串中的连接点3连接。第二开关器件串并联连接在第一开关器件串中的连接点8、12、辅助电容Cph并联连接在第二开关器件串中的连接点14、15。第一开关器件串中的连接点7、9与第1组续流电路并联连接,连接点11、13与第2组续流电路并联连接。各续流电路分别由串联的续流二极管Q1、Q2和Q3、Q4构成,其连接点分别与直流母线电容串中的连接点2和4连接。由于没有直接串联的器件、各器件承受的耐压相同,选择和管理方便。
Description
技术领域
本发明属于电力电子变换器领域,涉及五电平电压源型变换装置。
背景技术
现有技术的二极管箝位型五电平变换装置,如图3所示利用四个串联的电容C1-C4连接在直流电源的两端,A、B、C各相桥臂由八个开关器件S串联构成,各个开关器件S通过箝位二极管D连接到每个电容,通过箝位二极管D将开关器件S的电压箝位到连接的一个电容的电压上,将直流母线电压分压成多个电平。该结构中,各个箝位二极管D由于箝位电压的不同,分别需要不同耐压的箝位二极管D,给器件的选择和管理带来了困难,给安全造成了隐患。对于承受高电压的箝位二极管D如图3所示(Da1)还需要多个二极管D串联使用,造成箝位二极管数目多,电气回路复杂,降低了装置的可靠性。
图4为电容飞跨型五电平变换装置。该装置与图3所示的二极管箝位型五电平变换装置不同,采用的是跨接在开关器件S之间的串联电容(Ca、Cb、Cc)进行箝位的,为使各个箝位电容的电压均衡,需要复杂的控制。大量串联电容的使用,不仅电气回路复杂,可靠性低,也容易引入悬浮电容,使得电压的控制变得困难。
除了以上两种变换装置外,现有技术中还有H桥级联型五电平变换装置。级联型五电平变换装置虽然不需要大量的箝位二极管和箝位电容,但需要独立的直流电压源,具有使用不方便的问题。
本发明的目的在于提供一种结构简单、可靠性高、不需要独立的直流电压源的五电平电压源型变换装置。
发明内容
本发明的技术方案为一种五电平电压源型变换装置,其特征在于,由直流母线电容串,第一开关器件串,第二开关器件串,辅助电容(Cph),2组续流电路构成一个桥臂,所述直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容(C1-C4)串联而成,所述第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件(S1-S8)同向串联而成,其两端与所述直流母线电容串的两端(1、5)并联连接,其第4有源开关器件(S4)与第5有源开关器件(S5)的连接点(10)与所述直流母线电容串中,第2直流母线电容(C2)与第3直流母线电容(C3)的连接点(3)连接,所述第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件(S9-S12)同向串联而成,其两端并联连接在所述第一开关器件串中,第2有源开关器件(S2)与第3有源开关器件(S3)的连接点(8),第6有源开关器件(S6)与第7有源开关器件(S7)的连接点(12),所述辅助电容(Cph)并联连接在所述第二开关器件串中,第1有源开关器件(S9)与第2有源开关器件(S10)的连接点(14),第3有源开关器件(S11)与第4有源开关器件(S12)的连接点(15),所述第一开关器件串中,第1有源开关器件(S1)与第2有源开关器件(S2)的连接点(7),第3有源开关器件(S3)与第4有源开关器件(S4)的连接点(9)与第1组续流电路并联连接,第5有源开关器件(S5)与第6有源开关器件(S6)的连接点(11),第7有源开关器件(S7)与第8有源开关器件(S8)的连接点(13)与第2组续流电路并联连接,第1组续流电路由两个续流二极管(Q1、Q2)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q11、Q21)同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第1直流母线电容(C1)与第2直流母线电容(C2)的连接点(2)连接,第2组续流电路由两个续流二极管(Q3、Q4)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q31、Q41)同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第3直流母线电容(C3)与第4直流母线电容(C4)的连接点(4)连接,所述直流母线电容串的两端(1、5)作为电源输入端与直流电源连接,所述第二开关器件串中,第2有源开关器件(S10)与第3有源开关器件(S11)的连接点(6)为电压输出端。
其中的第一开关器件串(S1-S8)、第二开关器件串(S9-S12)、续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)中的各个有源开关器件可以为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管中的任一种。
各相桥臂既可以具有自己的直流母线电容串,也可以公用同一个直流母线电容串。
由于本发明中,大大减少了钳位二极管和钳位电容的数量,不仅结构简单,硬件结构也易于实现,控制容易。由于开关状态具有很大的冗余性,控制更加灵活,所用器件承受的耐压相同且不存在器件直接串联的情况,在器件选择和管理上更方便,使用上更简单,也不需要独立的直流电压源。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的拓扑结构图;
图2是本发明的第2实施方式的拓扑结构图;
图3是现有技术的二极管箝位型五电平变换装置的拓扑结构图;
图4是现有技术的电容飞跨型五电平变换装置的拓扑结构图。
具体实施方式
图1是本发明的第1实施方式的拓扑结构图。如图1所示,本发明的五电平电压源型变换装置,由直流母线电容串,第一开关器件串,第二开关器件串,辅助电容Cph,2组续流电路构成一个桥臂,直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容C1-C4串联而成。直流母线电容C1-C4使用电解电容,各个电容之间,正极与负极连接。
第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件S1-S8同向串联而成,其两端与所述直流母线电容串的两端1、5并联连接,其第4有源开关器件S4与第5有源开关器件S5的连接点10与所述直流母线电容串中,第2直流母线电容C2与第3直流母线电容C3的连接点3连接。
第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件S9-S12同向串联而成,其两端并联连接在所述第一开关器件串中,第2有源开关器件S2与第3有源开关器件S3的连接点8,第6有源开关器件S6与第7有源开关器件S7的连接点12。
辅助电容Cph并联连接在第二开关器件串中,第1有源开关器件S9与第2有源开关器件S10的连接点14,第3有源开关器件S11与第4有源开关器件S12的连接点15。
第一开关器件串中,第1有源开关器件S1与第2有源开关器件S2的连接点7,第3有源开关器件S3与第4有源开关器件S4的连接点9与第1组续流电路并联连接,第5有源开关器件S5与第6有源开关器件S6的连接点11,第7有源开关器件S7与第8有源开关器件S8的连接点13与第2组续流电路并联连接。第1组续流电路由两个续流二极管Q1、Q2同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第1直流母线电容C1与第2直流母线电容C2的连接点2连接,第2组续流电路由两个续流二极管Q3、Q4同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第3直流母线电容C3与第4直流母线电容C4的连接点4连接。
直流母线电容串的两端1、5作为电源输入端与直流电源连接,第二开关器件串中,第2有源开关器件S10与第3有源开关器件S11的连接点6为电压输出端。
第一开关器件串S1-S8、第二开关器件串S9-S12、中的各个有源开关器件为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、GTO(门极可关断晶闸管),IGCT(集成门极换流晶闸管),GTR(电力晶体管),Power MOSFET(电力场效应晶体管)中的任一种。
在图1所示的结构中,每相桥臂均有自己的直流母线电容(C1-C4)。同样结构的三个桥臂可以组成一个三相逆变拓扑。同样结构的三个桥臂可以组成一个三相整流拓扑,可用于整流装置,有源滤波,无功补偿。同样结构的六个桥臂可以组成三相背靠背拓扑。
每相桥臂也可以没有单独的直流母线电容,即,所有桥臂共用直流母线电容(C1-C4)。这时,同样结构的三个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成一个三相逆变拓扑。同样结构的三个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成一个三相整流拓扑,可用于整流装置,有源滤波,无功补偿。同样结构的六个桥臂及公用直流母线电容(C1-C4)可以组成三相背靠背拓扑。
图2本发明的第2实施方式的拓扑结构图。在图2的结构中,2组续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)采用IGBT以取代图1结构中的续流二极管(Q1、Q2、Q3、Q4)外,其余均与图1的结构相同。续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)除IGBT外,也可选用GTO,IGCT,GTR,Power MOSFET中的任一种。这样,可以封锁Q11、Q21、Q31、Q41,利用反向并联二极管的二极管来续流,电平的控制方式同第1实施方式;由于Q11、Q21、Q31、Q41能够导通,适时导通Q11、Q21、Q31、Q41中的某些开关可以调整主回路器件发热。
由于本发明中,大大减少了钳位二极管和钳位电容的数量,不仅结构简单,硬件结构也易于实现,控制容易。由于开关状态具有很大的冗余性,控制更加灵活,所用器件承受的耐压相同且不存在器件直接串联的情况,在器件选择和管理上更方便,使用上更简单,也不需要独立的直流电压源。
以下对开关器件的状态与输出电平的关系进行说明。
首先定义端点1处电压为2E,连接点2处电压为E,连接点3处电压为0,连接点4处电压为-E,端点5处电压为-2E。连接点6处的电压为Vout。在工作状态,辅助电容Cph上电压为E。设开关器件S2,S3,S9接点处(连接点8)为Vfl+,开关器件S6,S7,S12接点处(连接点12)为Vfl-。
如果开关器件S1S2S5S6导通,开关器件S3S4S7S8关断,那么Vfl+电压为2E,Vfl-电压为0。通过控制开关器件S9,S10,S11,S12,可使Vout电压实现2E,E,0。
如果开关器件S2S3S6S7导通,开关器件S1S4S5S8关断,那么Vfl+电压为E,Vfl-电压为-E。通过控制开关器件S9,S10,S11,S12,可使Vout电压实现E,0,-E。
如果开关器件S3S4S7S8导通,开关器件S1S2S5S6关断,那么Vfl+电压为0,Vfl-电压为-2E。通过控制开关器件S9,S10,S11,S12,可使Vout电压实现0,-E,-2E。
具体开关对应输出电压逻辑如下。
如果使用3组控制变量,开关器件S1,S2,S5,S6对应控制信号为Sa1;开关器件S3,S4,S7,S8对应控制信号为开关器件S9对应控制信号为Sa2;开关器件S12对应控制信号为开关器件S10对应控制信号为Sa3;开关器件S11对应控制信号为(Sa1与Sa2与Sa3与互补)。
控制信号与输出电压的关系如表1所示。
表1
由表1可知,通过不同组合的控制信号,能够输出5电平的输出电压,并且开关状态的组合具有冗余性。使用3组控制变量时,如果每次开关只变化1组控制变量,那么在桥臂输出电压经过0点的时候,将会出现输出电压跳变为2E的情况;如果要保证每次开关输出电压跳变都为E,那么在相电压过零点时需要同时变化2组控制变量。
如果使用4组控制变量,开关器件S1,S5对应控制信号为Sa0;开关器件S3,S7对应控制信号为开关器件S2,S6对应控制信号为Sa1;开关器件S4,S8对应控制信号为开关器件S9对应控制信号为Sa2;开关器件S12对应控制信号为开关器件S10对应控制信号为Sa3;开关器件S11对应控制信号为(Sa0与Sa1与Sa2与Sa3与互补)。
控制信号与输出电压的关系如表2所示。
表2
由表2可知,通过不同组合的控制信号,能够输出5电平的输出电压,并且开关状态的组合具有冗余性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,只要在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种五电平电压源型变换装置,其特征在于,由直流母线电容串,第一开关器件串,第二开关器件串,辅助电容(Cph),2组续流电路构成一个桥臂,所述直流母线电容串由4个容量相等的直流母线电容(C1-C4)串联而成,所述第一开关器件串由8个带反向并联二极管的有源开关器件(S1-S8)同向串联而成,其两端与所述直流母线电容串的两端(1、5)并联连接,其第4有源开关器件(S4)与第5有源开关器件(S5)的连接点(10)与所述直流母线电容串中,第2直流母线电容(C2)与第3直流母线电容(C3)的连接点(3)连接,所述第二开关器件串由4个带反向并联二极管的有源开关器件(S9-S12)同向串联而成,其两端并联连接在所述第一开关器件串中,第2有源开关器件(S2)与第3有源开关器件(S3)的连接点(8),第6有源开关器件(S6)与第7有源开关器件(S7)的连接点(12),所述辅助电容(Cph)并联连接在所述第二开关器件串中,第1有源开关器件(S9)与第2有源开关器件(S10)的连接点(14),第3有源开关器件(S11)与第4有源开关器件(S12)的连接点(15),所述第一开关器件串中,第1有源开关器件(S1)与第2有源开关器件(S2)的连接点(7),第3有源开关器件(S3)与第4有源开关器件(S4)的连接点(9)与第1组续流电路并联连接,第5有源开关器件(S5)与第6有源开关器件(S6)的连接点(11),第7有源开关器件(S7)与第8有源开关器件(S8)的连接点(13)与第2组续流电路并联连接,第1组续流电路由两个续流二极管(Q1、Q2)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q11、Q21)同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第1直流母线电容(C1)与第2直流母线电容(C2)的连接点(2)连接,第2组续流电路由两个续流二极管(Q3、Q4)或带反向并联二极管的有源开关器件(Q31、Q41)同向串联而成,其连接点与所述直流母线电容串中,第3直流母线电容(C3)与第4直流母线电容(C4)的连接点(4)连接,所述直流母线电容串的两端(1、5)作为电源输入端与直流电源连接,所述第二开关器件串中,第2有源开关器件(S10)与第3有源开关器件(S11)的连接点(6)为电压输出端。
2.根据权利要求1记载的五电平电压源型变换装置,其特征在于,第一开关器件串(S1-S8)、第二开关器件串(S9-S12)、续流电路(Q11、Q21、Q31、Q41)中的各个有源开关器件为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管中的任一种。
3.根据权利要求1或2记载的五电平电压源型变换装置,其特征在于,各相桥臂公用所述直流母线电容串。
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Address after: 100176 No. two, No. 3 Boxing Road, Yizhuang economic and Technological Development Zone, Beijing Applicant after: Beijing Kang Kang Xin Polytron Technologies Inc Address before: 100176 Daxing District Yizhuang Economic Development Zone, Boxing Road No. two, No. 3, No. Applicant before: Beijing Hiconics Drive Technology Co.,Ltd. |
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GR01 | Patent grant | ||
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