CN109586601A - 一种混合全桥电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合全桥电路及其控制方法，包括两个并联的半桥电路；半桥电路都包括完全对称的上桥臂和下桥臂，均由全控型开关器件和高压晶闸管或双向晶闸管直接串联；全控型开关器件和高压晶闸管包含反并联二极管，双向晶闸管由两只晶闸管反向并联；上桥臂与下桥臂之间分别引出输出连接端子。串联的全控型开关器件和高压晶闸管的控制信号完全相同。采用双向晶闸管时，正向晶闸管与串联的全控型开关器件的控制信号相同，反向晶闸管与串联的全控型开关器件的关断信号同步，上桥臂反向晶闸管的开通信号与下桥臂全控型开关器件的关断信号同步，下桥臂反向晶闸管的开通信号与上桥臂全控型开关器件的关断信号同步。本发明实现了高耐压，降低了成本。

Description

一种混合全桥电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种混合全桥电路，特别是关于一种适用于混合多电平变换器的混合全桥电路及其控制方法。
背景技术
在混合多电平变换器中，经常采用全桥电路工作在基波频率发挥电压翻转的作用，从而输出对称的多电平交流电压波形。这种混合多电平变换器的主要缺点是其中的全桥电路需要承受整个直流母线电压，在高压大功率场合必须采用高压器件或多个开关器件直接串联，由于全桥电路中的开关器件通常采用IGBT或IGCT等全控型开关器件，器件数量的增多大大增加了系统成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种混合全桥电路及其控制方法，其通过混合使用少量的全控型低压器件和高压晶闸管，实现了高耐压，并大大降低了系统成本。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合全桥电路，其包括两个并联的半桥电路；每个所述半桥电路都包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂完全对称，均由一个全控型开关器件和一个高压晶闸管直接串联组成；且每个所述全控型开关器件和高压晶闸管都包含反并联二极管；位于每个所述半桥电路的所述上桥臂与所述下桥臂之间分别引出输出连接端子。
进一步，所述左半桥的上桥臂和右半桥的下桥臂具有相同的控制信号，所述左半桥的下桥臂和右半桥的上桥臂也具有相同的控制信号。
一种如上述混合全桥电路的换流控制方法，每个所述上桥臂或所述下桥臂中串联的所述全控型开关器件和高压晶闸管的控制信号完全相同；所述上桥臂和下桥臂的控制信号之间有一个死区时间Δt。
进一步，将输出电流从上桥臂换流到下桥臂的换流过程包括以下步骤：(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1发出关断信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S1和高压晶闸管T1关断后输出电流i0继续流经全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管；若输出电流i0大于0，全控型开关器件S1迅速关断，同时高压晶闸管T1也因为电流为0而关断，此时输出电流换流到左半桥的下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管；(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2发出导通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管承受反压关断，电流换流到下桥臂全控型开关器件S2和高压晶闸管T2；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管。
一种混合全桥电路，其包括两个并联的半桥电路；每个所述半桥电路都包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂完全对称，均由一个全控型开关器件和一个双向晶闸管直接串联组成；且每个所述全控型开关器件都包含反并联二极管，每个所述双向晶闸管由两只晶闸管反向并联组成；位于每个所述半桥电路的所述上桥臂与所述下桥臂之间分别引出输出连接端子。
进一步，与所在桥臂的所述全控型开关器件同向的晶闸管称作正向晶闸管，反之则为反向晶闸管。
一种如上述混合全桥电路的换流控制方法，所述上桥臂和下桥臂的全控器件的控制信号之间有一个死区Δt，所述正向晶闸管的控制信号与串联的所述全控型开关器件的控制信号相同，所述反向晶闸管的关断信号与串联的所述全控型开关器件的关断信号同步，所述上桥臂反向晶闸管的开通信号与所述下桥臂全控型开关器件的关断信号同步，所述下桥臂反向晶闸管的开通信号与所述上桥臂全控型开关器件的关断信号同步。
进一步，将输出电流从上桥臂换流到下桥臂的换流过程包括以下步骤：(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1、双向晶闸管Tp1、Tn1发出关断信号，同时给下桥臂反向晶闸管Tn2发出开通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中全控型开关器件S1和正向晶闸管Tp1关断，反向晶闸管Tn1电流不为0无法关断，输出电流继续流经反向晶闸管Tn1以及全控型开关器件S1的续流反并联二极管；若输出电流i0大于0，全控型开关器件S1迅速关断，同时正向晶闸管Tp1也因为电流为0而关断，此时下桥臂中反向晶闸管Tn2导通，输出电流换流到下桥臂中的全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2；(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2发出导通信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2导通，上桥臂中的反向晶闸管Tn1承受反压强迫关断，电流换流到下桥臂；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2。
进一步，所述全控型开关器件端并联电阻、电容或者RC电路。
进一步，在桥臂的晶闸管两端并联另一电阻、另一电容或者另一RC电路，需满足所述全控型开关器件两端的并联电阻远小于所述晶闸管两端的并联电阻，所述全控型开关器件两端的并联电容远大于所述晶闸管两端的并联电容，两者的关系满足以下关系式：
其中，R1为所述全控型开关器件两端的并联电阻，C1为所述全控型开关器件两端的并联电容，R2为所述晶闸管两端的并联电阻，C2为所述晶闸管两端的并联电容，U1为所述全控型开关器件的耐压等级电压，U2为晶闸管的耐压等级电压。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明只需要使用4只全控型低压开关器件和少量高压晶闸管，成本大大降低。2、与全控型开关器件直接串联相比，本发明高压晶闸管的通态压降小，系统损耗小，效率高。
附图说明
图1是本发明的采用带反并联二极管的晶闸管的混合全桥电路；
图2是采用带反并联二极管的晶闸管的混合全桥电路半桥控制信号；
图3是本发明的采用双向晶闸管的混合全桥电路；
图4是采用双向晶闸管的混合全桥电路半桥控制信号；
图5a是输出电流大于0时，采用双向晶闸管的混合全桥电路换流过程示意图；
图5b是输出电流小于0时，采用双向晶闸管的混合全桥电路换流过程示意图；
图6a是全控开关器件两端并联电阻的分压电路示意图；
图6b是全控开关器件两端并联电容的分压电路示意图；
图6c是全控开关器件两端并联RC电路的分压电路示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供的一种混合全桥电路包括两个半桥电路，两个半桥电路并联构成混合全桥电路。每个半桥电路都包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂完全对称，均由一个全控型开关器件S和一个高压晶闸管T直接串联组成；且每个全控型开关器件S和高压晶闸管T都包含反并联二极管。位于每个半桥电路的上桥臂与下桥臂之间分别引出输出连接端子X1、X2。
由于用于混合多电平变换器的全桥电路只充当电压翻转的作用，因此左半桥的上桥臂和右半桥的下桥臂具有相同的控制信号，左半桥的下桥臂和右半桥的上桥臂也具有相同的控制信号。
本发明还提供的一种混合全桥电路的换流控制方法，每个上桥臂或下桥臂中串联的全控型开关器件S和高压晶闸管T的控制信号完全相同。上桥臂和下桥臂的控制信号之间有一个死区时间Δt，控制信号如图2所示。以左半桥为例，若需要将输出电流从左半桥上桥臂换流到下桥臂，具体换流过程包括以下步骤：
(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1发出关断信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S1和高压晶闸管T1关断后输出电流i0继续流经全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管；若输出电流i0大于0，由于全控型开关器件S1为全控型器件则迅速关断，同时高压晶闸管T1也因为电流为0而关断，此时输出电流换流到左半桥的下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管；
(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2发出导通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管承受反压关断，电流换流到下桥臂全控型开关器件S2和高压晶闸管T2；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管。
从下桥臂换流到上桥臂的过程与上桥臂换流到下桥臂类似，在此不再赘述。
在一个优选的实施例中，上桥臂和下桥臂中包含反并联二极管的高压晶闸管T采用双向晶闸管代替，如图3所示，每个双向晶闸管由两只晶闸管Tp、Tn反向并联组成，与所在桥臂的全控型开关器件S同向的晶闸管称作正向晶闸管Tp，反之则为反向晶闸管Tn。
在本实施例中，本发明的混合全桥电路的换流控制方法需要考虑反向晶闸管的控制信号，以左半桥为例，若需要将输出电流从左半桥上桥臂换流到下桥臂，控制信号示意图如图4所示,具体换流过程包括以下步骤：
(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1、双向晶闸管Tp1、Tn1发出关断信号，同时给下桥臂反向晶闸管Tn2发出开通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中全控型开关器件S1和正向晶闸管Tp1关断，反向晶闸管Tn1电流不为0无法关断，输出电流继续流经反向晶闸管Tn1以及全控型开关器件S1的续流反并联二极管，如图5b中的实线所示；若输出电流i0大于0，初始电流通路如图5a中的实线所示，由于全控型开关器件S1为全控型器件则迅速关断，同时正向晶闸管Tp1也因为电流为0而关断，此时下桥臂中反向晶闸管Tn2导通，输出电流换流到下桥臂中的全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2，如图5a中的虚线所示；
(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2发出导通信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2导通，上桥臂中的反向晶闸管Tn1承受反压强迫关断，电流换流到下桥臂,如图5b中的虚线所示；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2。
因此当采用双向晶闸管时，上桥臂和下桥臂的全控器件的控制信号之间有一个死区Δt，正向晶闸管的控制信号与串联的全控型开关器件的控制信号相同，反向晶闸管的关断信号与串联的全控型开关器件的关断信号同步，上桥臂反向晶闸管的开通信号与下桥臂全控型开关器件的关断信号同步，下桥臂反向晶闸管的开通信号与上桥臂全控型开关器件的关断信号同步。
上述各实施例中，由于用于混合多电平变换器的全桥电路只在参考电压为0的时刻发生电压翻转，只要保证在换流过程中全桥的输入电压为0，则在此过程中全控型开关器件并不承受高压，可以采用低压器件。
上述各实施例中，在稳态时上桥臂或下桥臂最高承受电压为混合多电平变换器的直流母线电压，如果全控型开关器件的耐压等级为U1，晶闸管的耐压等级为U2，为保证高压晶闸管承受几乎全部的电压，根据电阻、电容分压的原理，可在全控型开关器件两端并联电阻(如图6a所示)、电容(如图6b所示)或者RC电路(如图6c所示)，与高压晶闸管的结电容和阻抗相比，此时全控型开关器件的等效并联电容大大增大、等效阻抗大大减小，可保证全控型开关器件在稳态时依然承受较低电压。如果在晶闸管两端也使用了并联电阻、电容或者RC电路的缓冲吸收电路，必须保证全控型开关管两端的并联电阻远小于晶闸管两端的并联电阻，全控型开关管两端的并联电容远大于晶闸管两端的并联电容，两者的关系满足以下关系式：
其中，R1、C1分别为全控型开关管两端的并联电阻和并联电容，R2、C2分别为晶闸管两端的并联电阻和并联电容。
上述各实施例中，本发明的混合全桥电路中的带反并联二极管的高压晶闸管或双向晶闸管也可采用多个晶闸管串联实现。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种混合全桥电路，其特征在于：包括两个并联的半桥电路；每个所述半桥电路都包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂完全对称，均由一个全控型开关器件和一个高压晶闸管直接串联组成；且每个所述全控型开关器件和高压晶闸管都包含反并联二极管；位于每个所述半桥电路的所述上桥臂与所述下桥臂之间分别引出输出连接端子。
2.如权利要求1所述混合全桥电路，其特征在于：所述左半桥的上桥臂和右半桥的下桥臂具有相同的控制信号，所述左半桥的下桥臂和右半桥的上桥臂也具有相同的控制信号。
3.一种如权利要求1或2所述混合全桥电路的换流控制方法，其特征在于：每个所述上桥臂或所述下桥臂中串联的所述全控型开关器件和高压晶闸管的控制信号完全相同；所述上桥臂和下桥臂的控制信号之间有一个死区时间Δt。
4.如权利要求3所述方法，其特征在于：将输出电流从上桥臂换流到下桥臂的换流过程包括以下步骤：
(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1发出关断信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S1和高压晶闸管T1关断后输出电流i0继续流经全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管；若输出电流i0大于0，全控型开关器件S1迅速关断，同时高压晶闸管T1也因为电流为0而关断，此时输出电流换流到左半桥的下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管；
(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和高压晶闸管T2发出导通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中的全控型开关器件S1和高压晶闸管T1的续流反并联二极管承受反压关断，电流换流到下桥臂全控型开关器件S2和高压晶闸管T2；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2和高压晶闸管T2的续流反并联二极管。
5.一种混合全桥电路，其特征在于：包括两个并联的半桥电路；每个所述半桥电路都包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂完全对称，均由一个全控型开关器件和一个双向晶闸管直接串联组成；且每个所述全控型开关器件都包含反并联二极管，每个所述双向晶闸管由两只晶闸管反向并联组成；位于每个所述半桥电路的所述上桥臂与所述下桥臂之间分别引出输出连接端子。
6.如权利要求5所述混合全桥电路，其特征在于：与所在桥臂的所述全控型开关器件同向的晶闸管称作正向晶闸管，反之则为反向晶闸管。
7.一种如权利要求5或6所述混合全桥电路的换流控制方法，其特征在于：所述上桥臂和下桥臂的全控器件的控制信号之间有一个死区Δt，所述正向晶闸管的控制信号与串联的所述全控型开关器件的控制信号相同，所述反向晶闸管的关断信号与串联的所述全控型开关器件的关断信号同步，所述上桥臂反向晶闸管的开通信号与所述下桥臂全控型开关器件的关断信号同步，所述下桥臂反向晶闸管的开通信号与所述上桥臂全控型开关器件的关断信号同步。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于：将输出电流从上桥臂换流到下桥臂的换流过程包括以下步骤：
(1)先给上桥臂中的全控型开关器件S1、双向晶闸管Tp1、Tn1发出关断信号，同时给下桥臂反向晶闸管Tn2发出开通信号；若输出电流i0小于0，上桥臂中全控型开关器件S1和正向晶闸管Tp1关断，反向晶闸管Tn1电流不为0无法关断，输出电流继续流经反向晶闸管Tn1以及全控型开关器件S1的续流反并联二极管；若输出电流i0大于0，全控型开关器件S1迅速关断，同时正向晶闸管Tp1也因为电流为0而关断，此时下桥臂中反向晶闸管Tn2导通，输出电流换流到下桥臂中的全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2；
(2)经过一个死区时间Δt之后，给下桥臂中的全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2发出导通信号；若输出电流i0小于0，全控型开关器件S2和反向晶闸管Tn2导通，上桥臂中的反向晶闸管Tn1承受反压强迫关断，电流换流到下桥臂；若输出电流i0大于0，输出电流依然流经全控型开关器件S2的续流反并联二极管以及反向晶闸管Tn2。
9.如权利要求1、2、5或6所述混合全桥电路，其特征在于：所述全控型开关器件端并联电阻、电容或者RC电路。
10.如权利要求9所述混合全桥电路，其特征在于：在桥臂的晶闸管两端并联另一电阻、另一电容或者另一RC电路，需满足所述全控型开关器件两端的并联电阻远小于所述晶闸管两端的并联电阻，所述全控型开关器件两端的并联电容远大于所述晶闸管两端的并联电容，两者的关系满足以下关系式：
其中，R1为所述全控型开关器件两端的并联电阻，C1为所述全控型开关器件两端的并联电容，R2为所述晶闸管两端的并联电阻，C2为所述晶闸管两端的并联电容，U1为所述全控型开关器件的耐压等级电压，U2为晶闸管的耐压等级电压。
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