CN107070276A - 有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法 - Google Patents

有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法，所述电路包括：包括：开关K1、K2，限流电阻R1，分压电阻R2、R3，上母线电容，下母线电容，以及有源中点箝位五电平变流器单相桥臂。方法为：通过主开关的闭合，对飞跨电容和母线电容同时充电；飞跨电容电压达到设定值后，对母线电容单独充电。本发明结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少；通过对主开关的控制，保证各主开关的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动。该软启动方法不会影响主电路在正常工况下的工作，且辅助器件仅存在于母线之上，本发明适用于单相ANPC电路、三相三线制、三相四线制的ANPC逆变器电路。

Description

有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路及方法
技术领域
本发明涉及一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动方法，尤其是一种安全可靠高效的直流侧充电的软启动方法。
背景技术
有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器，其电路如图1所示，它由十二个有反并联二极管的全控主开关(S1～S8)和一个飞跨电容(Cf)构成。这种单相五电平变流器能够实现并网发电功能，也可以带负载独立运行和驱动电机，而且电路中主开关管的电压应力均为母线电压的四分之一。但是，电路中存在较多的电容，包括母线电容和飞跨电容，在电容建压策略方面有着较大的困难，既不能产生很大的充电电流，又不能增大主开关管的电压应力。
经检索，公开号为202261005U的中国专利申请，该实用新型提供了一种ANPC五电平变流器的预充电电路，包括整流部分、限流部分和分压部分，三相不可控整流得到的电压，通过限流电阻，给母线电容和飞跨电容充电，并根据大电阻的分压比为母线电容和飞跨电容充电值设定值。该实用新型解决了该变流器拓扑结构直接充电造成的过电流问题，并将电容器电压充至设定值。
上述202261005U中提出的软启动电路，其主要目的在于解决该拓扑直接充电造成的过电流问题，因此并不是安全可靠高效的软启动，而且适用性不强，不能同时适用于单相ANPC电路、三相三线制、三相四线制的ANPC逆变器电路的软启动。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动电路和方法，利用直流侧电源给变流器中的电容充电，结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少，能够实现安全可靠高效的软启动。
根据本发明的第一目的，提供一种基于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器直流侧充电软启动电路，包括：开关K1、K2，限流电阻R1，分压电阻R2、R3，上母线电容CUP，下母线电容CDOWN，以及有源中点箝位五电平变流器单相桥臂；其中：
开关K2的一端连接直流侧电源，限流电阻R1的一端连接开关K2的另一端，限流电阻R1的另一端与上母线电容Cup的上端相连或者与下母线电容CDOWN的下端相连，开关K1与限流电阻R1并联，分压电阻R2、R3与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN分别并联，源中点箝位五电平电路单相桥臂的三端输入分别与上母线电容CUP的上端、上母线电容CUP的下端即下母线电容CDOWN的上端、下母线电容CDOWN的下端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感L相连。
进一步的，所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂由十二个具有反并联二极管的主开关管和一个飞跨电容Cf组成，所述十二个具有反并联二极管的主开关管分别为：一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S3、一个主开关管S4、两个主开关管S5、两个主开关管S6、两个主开关管S7、两个主开关管S8，其中：两个主开关管S5、一个主开关管S3、一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S4、两个主开关管S8依次串联后与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，在主开关管S1、S2的连接点引出单相桥臂的交流出线，两个主开关管S6、两个主开关管S7依次串联后与主开关管S3、S1、S2、S4串联成的整体并联，主开关管S6、S7的连接点与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的连接点相连，飞跨电容Cf与主开关管S1、S2串联成的整体并联。
根据本发明的第二目的，提供一种基于上述电路的有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器直流侧充电软启动方法，包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN均为零，飞跨电容Cf电压也为零，开关K1、K2均断开，有源中点箝位五电平单相变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合开关K2，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cf充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S02：当飞跨电容Cf电压达到设定值E，其中E表示总母线电压设定值的四分之一，断开主开关管S3、S4、S5、S8，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S03：当上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，闭合开关K1，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于待机状态。
进一步的，所述方法通过主开关管S3、S4、S5、S8将飞跨电容Cf与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，使飞跨电容Cf与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN同时由直流侧电源充电。
进一步的，所述方法通过对主开关管S3、S4、S5、S8的控制，实现飞跨电容Cf电压优先于上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到其设定值，使各主开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的电压应力均不高于母线电压的四分之一。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出的适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动技术，仅需两个附加开关K1、K2和三个附加电阻R1、R2、R3，附加电路极为简单。
同时，将主开关管S3、S4、S5、S8作为软启动的一部分，并保留了ANPC有源中点箝位五电平单相桥臂的完整独立性，实现飞跨电容电压优先于上母线电容、下母线电容电压达到其设定值，保证各主开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动。
此外，本发明提出的直流侧充电的软启动方法不仅适用于单相ANPC电路，而且适用于三相三线制、三相四线制的ANPC电路。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有的单相ANPC逆变器电路；
图2为本发明一优选实施例的具体电路图；
图3为本发明另一优选实施例的具体电路图；
图4为本发明一优选实施例的软启动方法的步骤示意图；
图5为本发明一优选实施例的在软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压波形图；
图6～图9分别为本发明一优选实施例的在软启动过程中各阶段的工作等效电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图2所示，本发明一实施例中，一种适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动电路，通过在有源中点箝位五电平变流器单相桥臂上增加两个附加开关K1、K2和三个附加电阻R1、R2、R，所述电路包括：直流侧电源DC，与直流侧电源DC相连的开关K2，接在开关K2与上母线电容Cup之间的限流电阻R1，与限流电阻R1并联的开关K1，上母线电容CUP，下母线电容CDOWN，两个与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN分别并联的相同大阻值的分压电阻R2、R3，由十二个具有反并联二极管的主开关管(S1、S2、S3、S4、两个S5、两个S6、两个S7、两个S8)和一个飞跨电容Cf组成的有源中点箝位五电平变流器单相桥臂，以及接在有源中点箝位五电平变流器单相桥臂输出端与交流电网或者负载之间的输出滤波电感L。
数个所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂在直流母线侧相连得到有源中点箝位五电平变流器；单个所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂即为单相变流器。
在一优选实施例中，所述的限流电阻R1与开关K1并联，限流电阻R1的一端与开关K2相连，限流电阻R1的另一端与上母线电容CUP的上端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的三端输入分别与上母线电容CUP的上端、上母线电容CUP的下端(即下母线电容CDOWN的上端)和下母线电容CDOWN的下端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感L相连。
如图3所示，在另一优选实施例中，其他结构与图2相同，区别在于限流电阻和开关的设置；所述的限流电阻R1与开关K1并联，限流电阻R1的一端与开关K2相连，限流电阻R1的另一端与下母线电容CDOWN的下端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的三端输入分别与上母线电容CUP的上端、上母线电容CUP的下端(即下母线电容CDOWN的上端)和下母线电容CDOWN的下端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感L相连。
如图4所示，一种有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动方法，包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN均为零，飞跨电容Cf电压也为零，开关K1、K2均断开，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合开关K2，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cf充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S02：当飞跨电容Cf电压达到设定值E(E表示总母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一时，断开主开关管S3、S4、S5、S8，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S03：当上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，闭合开关K1，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于待机状态。
在一实施例中，对于适用于有源中点箝位五电平(ANPC-5L)变流器的直流侧充电的软启动方法，软启动过程中的控制脉冲时序和电容电压波形，如图5所示。其中：
阶段1(t0-t1):
如图6所示，上母线电容CUP、下母线电容CDOWN均为零，飞跨电容Cf电压也为零，开关K1、K2均断开，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于停机状态。
阶段2(t1-t2):
如图7所示，闭合主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合开关K2，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cf充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压，直至飞跨电容Cf的电压达到设定值E(E表示总母线电压设定值的四分之一，下同)，即母线电压的四分之一。
阶段3(t2-t3):
如图8所示，断开主开关管S3、S4、S5、S8，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压，直至上母线电容Cup、下母线电容Cdown的电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一。
阶段4(t3-t4):
如图9所示，闭合开关K1，电容建压完成，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于待机状态。
对于图3所示的实施例，其具体实施与上述图2所示实施例类似，不再详述。
基于上述实施例，与现有技术相比(比如公开号为202261005U的中国专利)：
首先：本发明利用直流侧电源给变流器中的电容充电，结构简单，控制方便，增加的辅助支路较少，即简化了附加电路，仅需要两个附加开关K1、K2和三个附加电阻R1、R2、R3；
其次，202261005U中提出的软启动策略主要目的在于解决该拓扑直接充电造成的过电流问题，而本发明将主开关管S3、S4、S5、S8作为软启动的一部分，并保留了单相桥臂的完整独立性，并实现了飞跨电容电压优先于上下母线电容电压达到其设定值，保证各主开关的电压应力均不高于母线电压的四分之一，实现安全可靠高效的软启动；
最后，本发明提出的直流侧充电的软启动策略不仅适用于单相ANPC电路，而且适用于三相三线制、三相四线制的ANPC电路。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路，其特征在于，包括：开关K1、K2，限流电阻R1，分压电阻R2、R3，上母线电容CUP，下母线电容CDOWN，以及有源中点箝位五电平变流器单相桥臂；其中：
开关K2的一端连接直流侧电源，限流电阻R1的一端连接开关K2的另一端，限流电阻R1的另一端与上母线电容Cup的上端相连或者与下母线电容CDOWN的下端相连，开关K1与限流电阻R1并联，分压电阻R2、R3与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN分别并联，源中点箝位五电平电路单相桥臂的三端输入分别与上母线电容CUP的上端、上母线电容CUP的下端即下母线电容CDOWN的上端、下母线电容CDOWN的下端相连，有源中点箝位五电平变流器单相桥臂的输出端与输出滤波电感L相连。
2.根据权利要求1所述的有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动电路，其特征在于，所述有源中点箝位五电平变流器单相桥臂由十二个具有反并联二极管的主开关管和一个飞跨电容Cf组成，所述十二个具有反并联二极管的主开关管分别为：一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S3、一个主开关管S4、两个主开关管S5、两个主开关管S6、两个主开关管S7、两个主开关管S8，其中：两个主开关管S5、一个主开关管S3、一个主开关管S1、一个主开关管S2、一个主开关管S4、两个主开关管S8依次串联后与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，在主开关管S1、S2的连接点引出单相桥臂的交流出线，两个主开关管S6、两个主开关管S7依次串联后与主开关管S3、S1、S2、S4串联成的整体并联，主开关管S6、S7的连接点与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN的连接点相连，飞跨电容Cf与主开关管S1、S2串联成的整体并联。
3.一种基于权利要求2所述软启动电路的有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
步骤S01：上母线电容CUP、下母线电容CDOWN均为零，飞跨电容Cf电压也为零，开关K1、K2均断开，有源中点箝位五电平单相变流器处于停机状态；此时，闭合主开关管S3、S4、S5、S8，并闭合开关K2，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN和飞跨电容Cf充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S02：当飞跨电容Cf电压达到设定值E，其中E表示总母线电压设定值的四分之一，断开主开关管S3、S4、S5、S8，由直流侧电源通过限流电阻R1给上母线电容CUP、下母线电容CDOWN充电，分压电阻R2、R3均衡上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压；
步骤S03：当上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到设定值2E，即母线电压的二分之一时，闭合开关K1，ANPC有源中点箝位五电平单相变流器处于待机状态。
4.根据权利要求3所述的有源中点箝位五电平变流器直流侧充电软启动方法，其特征在于：所述方法通过主开关管S3、S4、S5、S8将飞跨电容Cf与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN并联，使飞跨电容Cf与上母线电容CUP、下母线电容CDOWN同时由直流侧电源充电。
5.根据权利要求3或4所述的有源中点箝位五电平变流器的直流侧充电的软启动方法，其特征在于：所述方法通过对主开关管S3、S4、S5、S8的控制，实现飞跨电容Cf电压优先于上母线电容CUP、下母线电容CDOWN电压达到其设定值，使各主开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的电压应力均不高于母线电压的四分之一。
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