CN107040157B - 一种带耦合电感的多电平变换器拓扑 - Google Patents

一种带耦合电感的多电平变换器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带耦合电感的多电平变换器拓扑，包括根据接收到的控制指令使自身处于7种工作模态之一的桥臂，所述桥臂包括第一、第二桥式单元、第一、第二续流二极管、第一耦合电感，桥式单元设有节点G和节点H，第一桥式单元的节点H通过第一耦合电感与第二桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点G通过第一续流二极管与所述第一桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点H通过第二续流二极管与所述第一桥式单元的节点H连接，所述第一耦合电感的中点设有用于接负载的输出端。相对于现有技术，本发明创造可至多输出13种电平，利用该13种电平去逼近正弦波形，可有效降低THD值，提高输出波形质量。

Description

一种带耦合电感的多电平变换器拓扑
技术领域
本发明涉及电能转换的技术领域，特别涉及一种带耦合电感的多电平变换器拓扑。
背景技术
近年来，由于多电平变换器技术可以降低输出电压或电流中的高频谐波含量，进而降低输出滤波电感器的体积与成本，因此可以产生多电平输出的技术越来越受到关注。随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术，特别是近年来流行的电力电子变压器、正弦交流调压器、交流斩波器和柔性交流输电系统(FACTS)的发展，能源处理系统对电力电子变换器的性能、稳定性以及成本要求也日益苛刻，传统多电平变换器要求输出较多电压电平数时往往要使用较多的功率器件进行控制，从而增加了系统复杂程度的同时提高了系统成本。
因此如何用较少的功率器件得到输出较多电压电平的多电平变换器一直是行业内研究的方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了解决了现有技术中多电平变换器拓扑使用器件多，输出电平数少等问题。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种带耦合电感的多电平变换器拓扑，包括：根据接收到的控制指令使自身处于7种工作模态之一的桥臂，所述桥臂包括第一、第二桥式单元、第一、第二续流二极管、第一耦合电感，所述第一、第二桥式单元均设有节点G和节点H，第一桥式单元的节点H通过第一耦合电感与第二桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点G通过第一续流二极管与所述第一桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点H通过第二续流二极管与所述第一桥式单元的节点H连接，所述第一耦合电感的中点设有用于接负载的输出端。
进一步，桥式单元包括第一、第二、第三功率开关管、第一二极管、第一模块电源，第一功率开关管的发射极分别连接模块电源的正极、第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接第三功率开关管的集电极，所述第二功率开关管的发射极连接第一二极管的负极，所述第三功率开关管的发射极分别连接第一二极管的正极、模块电源的负极，所述节点G位于所述第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的集电极之间，所述节点H位于所述第二功率开关管的发射极与第一二极管的负极之间。
进一步，还包括滤波电感，所述滤波电感与所述用于接负载的输出端连接。
本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明创造可至多输出13种电平，利用该13种电平去逼近正弦波形，可有效降低THD值，提高输出波形质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是实施例1中带耦合电感的多电平变换器拓扑结构示意图；
图2是第一桥臂的工作模态1的工作状态图；
图3是第一桥臂的工作模态2的工作状态图；
图4是第一桥臂的工作模态3的工作状态图；
图5是第一桥臂的工作模态4的工作状态图；
图6是第一桥臂的工作模态5的工作状态图；
图7是第一桥臂的工作模态6的工作状态图；
图8是第一桥臂的工作模态7的工作状态图；
图9是实施例1中的多电平变换器输出的负载电压波形图；
图10是实施例1中的多电平变换器输出的负载电压经滤波后的波形图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种带耦合电感的多电平变换器拓扑，包括2个相同的桥臂，第一桥臂a1与第二桥臂相互桥接，所述第一桥臂a1包括第一、第二桥式单元a11、a12、第一、第二续流二极管D5、D6、第一耦合电感L2。
所述第一桥式单元a11包括第一、第二、第三功率开关管T1、T2、T3、第一二极管D1、第一模块电源C1，第一功率开关管T1的发射极分别连接第一模块电源C1的正极、第二功率开关管T2的集电极，所述第一功率开关管T1的集电极连接第三功率开关管T3的集电极，所述第二功率开关管T2的发射极连接第一二极管D1的负极，所述第三功率开关管T3的发射极分别连接第一二极管D1的正极、第一模块电源C1的负极，在所述第一功率开关管T1的集电极与第三功率开关管T3的集电极之间设置节点G，在所述第二功率开关管T2的发射极与第一二极管D1的负极之间设置节点H；
所述第二桥式单元a12包括第四、第五、第六功率开关管T4、T5、T6、第二二极管D2、第二模块电源C2，第四功率开关管T4的发射极分别连接第二模块电源C2的正极、第五功率开关管T5的集电极，所述第四功率开关管T4的集电极连接第六功率开关管T6的集电极，所述第五功率开关管T5的发射极连接第二二极管D2的负极，所述第六功率开关管T6的发射极分别连接第二二极管D2的正极、第二模块电源C2的负极，在所述第四功率开关管T4的集电极与第六功率开关管T6的集电极之间设置节点G，在所述第五功率开关管T5的发射极与第二二极管D2的负极之间设置节点H；
第一桥式单元a11的节点H通过第一耦合电感L2与第二桥式单元a12的节点G连接，第二桥式单元a12的节点G通过第一续流二极管D5与第一桥式单元a11的节点G连接，第二桥式单元a12的节点H通过第二续流二极管D6与第一桥式单元a11的节点H连接。
所述第一桥臂a1可根据控制指令令自身处于7种工作模态之一，其中7种工作模态分别为：
参考图2，工作模态1：所述第三功率开关管T3、第一模块电源C1、第二功率开关管T2、第一续流二极管D5导通，所述第一功率开关管T1、第一二极管D1、第二续流二极管D6、第四、第五、第六功率开关管T4、T5、T6、第二模块电源C2、第二二极管D2截止。
参考图3，工作模态2：所述第三功率开关管T3、第一二极管D1、第一续流二极管D5导通，所述第二功率开关管T2、第一功率开关管T1、第一模块电源C1、第二续流二极管D6、第二模块电源C2、第二二极管D2、第四、第五、第六功率开关管T4、T5、T6截止。
参考图4，工作模态3：所述第二、第三、第六功率开关管T2、T3、T6、第一模块电源C1、第二二极管D2导通，所述第一、第四、第五功率开关管T1、T4、T5、第二模块电源C2、第一二极管D1、第一、第二续流二极管D5、D6截止。
参考图5，工作模态4：所述第一功率开关管T1、第一二极管D1、第一续流二极管D5、第一模块电源C1导通，所述第二、第三、第四、第五、第六功率开关管T2、T3、T4、T5、T6、第二二极管D2、第二模块电源C2、第二续流二极管D6截止。
参考图6，工作模态5：第一、第六功率开关管T1、T6、第一、第二二极管D1、D2、第一模块电源C1导通，所述第二、第三、第四、第五功率开关管T2、T3、T4、T5、第二模块电源C2、第一、第二续流二极管D5、D6截止。
参考图7，工作模态6：所述第六功率开关管T6、第二二极管D2、第二续流二极管D6导通，所述第一、第二、第三、第四、第五功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、第一二极管D1、第一、第二模块电源C1、C2、第一续流二极管D5截止。
参考图8，工作模态7：所述第五、第六功率开关管T5、T6、第二模块电源C2、第二续流二极管D6导通，所述第一、第二、第三、第四功率开关管T1、T2、T3、T4、第一、第二二极管D1、D2、第一模块电源C1、第一续流二极管D5截止。
第二桥臂包括：6个功率开关管、2个二极管、2个续流二极管、2模块电源，第二耦合电感L3，其中第二桥臂的连接方式与所述第一桥臂a1类似，这里就不重复了。
在第一耦合电感L2的中点与第二耦合电感L3的中点各引出节点，负载R1与所述节点串联，作为优化，负载R1还与滤波电感L1串联。
对第一桥臂a1的拓扑进行仿真，并联电源u1，其中第一、第二模块电源C1、C2的电压值为100V，电源u1的电压值为200V，A点上的电压值如下表所示：
表1(a)
T1 T2 T3 D1 T4
模态1 OFF ON ON OFF OFF
模态2 OFF OFF ON ON OFF
模态3 OFF ON ON OFF OFF
模态4 ON OFF OFF ON OFF
模态5 ON OFF OFF ON OFF
模态6 OFF OFF OFF OFF OFF
模态7 OFF OFF OFF OFF OFF
表1(b)
T5 T6 D2 D5 D6 输出电压
OFF OFF OFF ON OFF 300V
OFF OFF OFF ON OFF 200V
OFF ON ON OFF OFF 150V
OFF OFF OFF ON OFF 100V
OFF ON ON OFF OFF 50V
OFF ON ON OFF ON 0
ON ON OFF OFF ON -100V
ON：指的是对应的功率开关管开启；OFF：指的是对应的功率开关管关闭；输出电压：指的是A点上的电压值。
第二桥臂的工作模态与第一桥臂a1的工作模态类似，这里就不重复描述了。
通过将第一桥臂a1或第二桥臂分别工作在模态1、2、3、4、5、6、7其中之一，A、B点与负载R1串联，得到13种可能的负载电压，利用该13种电压去逼近正弦波形，得到如图9所示的电压波形图。
作为优化，在负载R1上串联滤波电感L1，从而使得负载电压更加平滑，如图10所示，进一步降低THD值，提高输出波形的质量。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种带耦合电感的多电平变换器拓扑，其特征在于，包括：根据接收到的控制指令使自身处于7种工作模态之一的桥臂，所述桥臂包括第一桥式单元、第二桥式单元、第一续流二极管、第二续流二极管、第一耦合电感，所述第一桥式单元、第二桥式单元均设有节点G和节点H，所述第一桥式单元的节点H通过第一耦合电感与第二桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点G通过第一续流二极管与所述第一桥式单元的节点G连接，所述第二桥式单元的节点H通过第二续流二极管与所述第一桥式单元的节点H连接，所述第一耦合电感的中点设有用于接负载的输出端；
第一桥式单元包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第一二极管、第一模块电源，第一功率开关管的发射极分别连接第一模块电源的正极、第二功率开关管的集电极，所述第一功率开关管的集电极连接第三功率开关管的集电极，所述第二功率开关管的发射极连接第一二极管的负极，所述第三功率开关管的发射极分别连接第一二极管的正极、第一模块电源的负极，所述节点G位于所述第一功率开关管的集电极与第三功率开关管的集电极之间，所述节点H位于所述第二功率开关管的发射极与第一二极管的负极之间；
第二桥式单元包括第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第二二极管、第二模块电源，第四功率开关管的发射极分别连接第二模块电源的正极、第五功率开关 管的集电极，所述第四功率开关管的集电极连接第六功率开关管的集电极，所述第五功率开关管的发射极连接第二二极管的负极，所述第六功率开关管的发射极分别连接第二二极管的正极、 第二模块电源的负极，所述节点 G 位于所述第四功率开关管的集电极与第六功率开关管的集电极之间，所述节点 H 位于所述第五功率开关管的发射极与第二二极管的负极之间；
所述桥臂根据控制指令令自身处于7种工作模态之一，其中7种工作模态分别为：
工作模态1：所述第三功率开关管、第一模块电源、第二功率开关管、第一续流二极管导通，所述第一功率开关管、第一二极管、第二续流二极管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第二模块电源、第二二极管截止；
工作模态2：所述第三功率开关管、第一二极管、第一续流二极管导通，所述第二功率开关管、第一功率开关管、第一模块电源、第二续流二极管、第二模块电源、第二二极管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管截止；
工作模态3：所述第二功率开关管、第三功率开关管、第六功率开关管、第一模块电源、第二二极管导通，所述第一功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第二模块电源、第一二极管、第一续流二极管、第二续流二极管截止；
工作模态4：所述第一功率开关管、第一二极管、第一续流二极管、第一模块电源导通，所述第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第二二极管、第二模块电源、第二续流二极管截止；
工作模态5：第一功率开关管、第六功率开关管、第一二极管、第二二极管、第一模块电源导通，所述第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第二模块电源、第一续流二极管、第二续流二极管截止；
工作模态6：所述第六功率开关管、第二二极管、第二续流二极管导通，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第一二极管、第一模块电源、第二模块电源、第一续流二极管截止；
工作模态7：所述第五功率开关管、第六功率开关管、第二模块电源、第二续流二极管导通，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第一二极管、第二二极管、第一模块电源、第一续流二极管截止。
2.根据权利要求1所述的一种带耦合电感的多电平变换器拓扑，其特征在于，还包括滤波电感，所述滤波电感与所述用于接负载的输出端连接。
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