CN110048630A - 一种五电平电力电子变换器及控制方法 - Google Patents

一种五电平电力电子变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五电平电力电子变换器及控制方法，属于电力电子技术领域。该变换器为共直流母线结构，包括与直流母线并联的三个桥臂单元，每个桥臂单元由10个绝缘栅双极晶体管和4个飞跨电容组成。每个桥臂单元即每相输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，分别控制桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。优点，五电平变换器所有的绝缘栅双极晶体管所承受的电压均相等，为直流母线电压的四分之一，且无需平衡直流母线侧电容电压，拓扑结构简单，易于控制，适用于中高压大功率的应用场合。

Description

一种五电平电力电子变换器及控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子技术领域，尤其适用于电力电子技术领域使用的五电平电力电子变换器及控制方法。
背景技术
随着现代社会经济的迅速发展，能源和环境问题已成为当前人类面临的紧迫问题。针对目前世界面临的两大问题，各国政府一方面大力推广可再生能源如风能、光伏的应用，以此调整能源消费结构，降低对化石能源的依赖。另一方面通过提升能源生产，变换和消费过程中的效率和质量，增加能源的有效利用率，降低全球能源消费增长速度。
电力电子变换器既是新能源接入电网的重要设备，因其灵活丰富的功能，又是各种形式的能源变换中的重要环节。电力电子变换器自诞生至今的数十年来，在电能质量治理，新能源接入，工业变频驱动等多种领域发挥重要作用，已成为现代能源系统中的核心部件和关键技术。多电平技术在开关频率，输出电压等级，功率等级，电压变化率，滤波器体积等方面的显著优势，在中高压大功率领域受到广泛的关注和研究。多电平变换器具有广阔的应用前景，已成为了电气工程领域的研究热点之一。
但是由于多电平变换器开关器件多、拓扑结构复杂、控制困难等问题，限制了多电平变换器的推广及应用。目前，应用最广泛的三种多电平变换器拓扑结构：中点钳位型、飞跨电容型和级联H桥型，这三种多电平变换器的拓扑结构都有各自的优缺点。
中点钳位型变换器所有开关器件的电压应力是相等的，因此适用于中高压大功率场合。但是随着电平数的增加，钳位二极管的数量急剧增加；各桥臂中开关器件的开关频率及导通时间的不一致，导致器件损耗分布不均；同时随着输出电平数的增加，其中点电位控制的控制非常困难。
飞跨电容型变换器无需控制直流母线侧中点电位，控制比较简单。但是随着电平数的增加，该变换器需要更多的飞跨电容。电容数量的增加导致了该变换器体积庞大，降低了系统的可靠性。
级联H型变换器具有模块化结构，易于扩展到更高电平的接头，适用于中高压大容量的场合。但是该变换器需要移相变压器为每个模块提供隔离的直流电源，这就导致了变换器体积庞大，装置成本较高。
因此，针对于各种不同的工业应用场合，需要各具特色的多电平变换器。研究新型的多电平变换器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是要针对现有的多电平变换器拓扑存在的缺陷，提出一种结构简单，易于控制，且适用于中高压大容量应用场合的一种五电平电力电子变换器及控制方法。
针对上述技术目的，本发明的包括变换器的拓扑结构及控制方法。
变换器的拓扑结构包括：三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元结构相同，包括10个绝缘栅双极晶体管Sx1-Sx10和4个飞跨电容Cx1-Cx4；
每个桥臂单元中飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3顺向连接，绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极与直流母线的正极相连，发射极与飞跨电容Cx1的正极相连，绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极与飞跨电容Cx3的负极相连，发射极与直流母线的负极相连；绝缘栅双极晶体管Sx3的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极和飞跨电容Cx1正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx9的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx9的发射极与飞跨电容Cx1负极和Cx2正极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx10的集电极与飞跨电容Cx2负极和Cx3正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx4的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx4的发射极与飞跨电容Cx3负极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx5的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx3的发射极和Sx9的集电极连线的中点相连，发射极与飞跨电容Cx4的正极相连；飞跨电容Cx4的负极与绝缘栅双极晶体管Sx6的集电极，绝缘栅双极晶体管Sx6的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx10的发射极和Sx4的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx7的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx5的发射极和飞跨电容Cx4正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极相连；绝缘栅双极晶体管Sx8的发射极与飞跨电容Cx4负极和绝缘栅双极晶体管Sx6集电极连线的中点相连；
绝缘栅双极晶体管Sx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极之间设有与负载连接的输出端；所述的x表示为桥臂，即：a桥臂、b桥臂和c桥臂。
变换器的控制方法如下：
每个桥臂单元即每相输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，分别控制桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。
当变换器输出电压为Vdc时，变换器输出电平数为4，此时只有一种开关状态A，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。
当变换器输出电压为3Vdc/4时，变换器输出电平数为3，此时有4种开关状态B1-B4：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3；当开关状态为B3时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx4；当开关状态为B4时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
当变换器输出电压为Vdc/2时，变换器输出电平数为2，此时有6种开关状态C1-C6：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx4；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3和Cx4；当开关状态为C3时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为C4时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为C5时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx2；当开关状态为C6时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和Cx3。
当变换器输出电压为Vdc/4时，变换器输出电平数为1，此时有4种开关状态D1-D4：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3；当开关状态为D3时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2，Cx3和Cx4；当开关状态为D4时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
当变换器输出电压为0时，变换器输出电平数为0，此时只有一种开关状态E，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8流入变换器。
有益效果，由于采用了上述方案，当变换器输出电压为Vdc，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7的体二极管流入变换器。那么此时绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8则共同承受了全部的直流母线电压Vdc，则每个绝缘栅双极晶体管所承受的电压为直流母线电压的四分之一。同理也可得出变换器在处于其他开关状态时，所有的绝缘栅双极晶体管所承受的电压均为直流母线电压的四分之一。
本发明的五电平电力电子变换器结构简单，控制方法易于控制，适用于中高压大容量应用场合中使用，达到了本发明的目的。
优点：本发明提出的一种新型五电平电力电子变换器，与传统的五电平变换器相比，每个绝缘栅双极晶体管所承受的电压均相等，为直流母线电压的四分之一，且无需平衡直流母线侧电容电压，拓扑结构简单，易于控制，适用于中高压大功率的应用场合。
附图说明
图1为本发明的五电平变换器拓扑结构图；
图2a为本发明的五电平变换器的开关状态为A时的电流回路图；
图2b为本发明的五电平变换器的开关状态为B1时的电流回路图；
图2c为本发明的五电平变换器的开关状态为B2时的电流回路图；
图2d为本发明的五电平变换器的开关状态为B3时的电流回路图；
图2e为本发明的五电平变换器的开关状态为B4时的电流回路图；
图2f为本发明的五电平变换器的开关状态为C1时的电流回路图；
图2g为本发明的五电平变换器的开关状态为C2时的电流回路图；
图2h为本发明的五电平变换器的开关状态为C3时的电流回路图；
图2i为本发明的五电平变换器的开关状态为C4时的电流回路图；
图2j为本发明的五电平变换器的开关状态为C5时的电流回路图；
图2k为本发明的五电平变换器的开关状态为C6时的电流回路图；
图2l为本发明的五电平变换器的开关状态为D1时的电流回路图；
图2m为本发明的五电平变换器的开关状态为D2时的电流回路图；
图2n为本发明的五电平变换器的开关状态为D3时的电流回路图；
图2o为本发明的五电平变换器的开关状态为D4时的电流回路图；
图2p为本发明的五电平变换器的开关状态为E时的电流回路图。
具体实施方式
结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的说明。
本发明的新型五电平变换器的拓扑结构图如图1所示，该变换器为共母线结构，包括个三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元包括10个绝缘栅双极晶体管和4个飞跨电容，使用Vdc表示直流母线电压，则每相输出电压Vxo分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态1为导通，0为关断。
每个桥臂单元中飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3顺向连接，绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极与直流母线的正极相连，发射极与飞跨电容Cx1的正极相连，绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极与飞跨电容Cx3的负极相连，发射极与直流母线的负极相连；绝缘栅双极晶体管Sx3的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极和飞跨电容Cx1正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx9的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx9的发射极与飞跨电容Cx1负极和Cx2正极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx10的集电极与飞跨电容Cx2负极和Cx3正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx4的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx4的发射极与飞跨电容Cx3负极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx5的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx3的发射极和Sx9的集电极连线的中点相连，发射极与飞跨电容Cx4的正极相连；飞跨电容Cx4的负极与绝缘栅双极晶体管Sx6的集电极，绝缘栅双极晶体管Sx6的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx10的发射极和Sx4的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx7的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx5的发射极和飞跨电容Cx4正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极相连；绝缘栅双极晶体管Sx8的发射极与飞跨电容Cx4负极和绝缘栅双极晶体管Sx6集电极连线的中点相连；
绝缘栅双极晶体管Sx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极之间设有与负载连接的输出端；所述的x表示为桥臂，即：a桥臂、b桥臂和c桥臂。
定义绝缘栅双极晶体管IGBT开关状态如下式所示
式中，x＝a，b，c。为了保证变换器在工作过程中电容不发生短路现象，且每个绝缘栅双极晶体管所承受的电压均为直流母线电压的四分之一，则变换器的开关状态如下表所示。
由表1所示，变换器共有16中开关状态，且绝缘栅双极晶体管Sx1和Sx2，Sx3和Sx4，Sx5和Sx6，Sx7和Sx8，Sx9和Sx10的状态互为相反，变换器的控制方法如下：
(1)当变换器输出电压为Vdc时；
变换器输出电平数为4，此时只有一种开关状态A(如图2a所示)。绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7的体二极管流入变换器。
(2)当变换器输出电压为3Vdc/4时；
变换器输出电平数为3，此时有四种开关状态B1、B2、B4和B4。当开关状态为B1时(如图2b所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1。当开关状态为B2时(如图2c所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3。当开关状态为B3时(如图2d所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx4。当开关状态为B4时(如图2e所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
(3)当变换器输出电压为Vdc/2时；
变换器输出电平数为2，此时有六种开关状态C1、C2、C3、C4、C5和C6。当开关状态为C1时(如图2f所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx4。当开关状态为C2时(如图2g所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3和Cx4。当开关状态为C3时(如图2h所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容。当开关状态为C4时(如图2i所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容。当开关状态为C5时(如图2j所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx2。当开关状态为C6时(如图2k所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和Cx3。
(4)当变换器输出电压为Vdc/4时；
变换器输出电平数为1，此时有四种开关状态D1、D2、D3和D4。当开关状态为D1时(如图2l所示)，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3。当开关状态为D2时(如图2m所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3。当开关状态为D3时(如图2n所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2，Cx3和Cx4。当开关状态为D4时(如图2o所示)，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
(5)当变换器输出电压为0时；
变换器输出电平数为0，此时只有一种开关状态E(如图2p所示)。绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8流入变换器。
以变换器开关状态为A为例进行分析，如图2a所示。此时变换器输出电压为Vdc，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7的体二极管流入变换器。那么此时绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8则共同承受了全部的直流母线电压Vdc，则每个绝缘栅双极晶体管所承受的电压为直流母线电压的四分之一。同理也可得出变换器在处于其他开关状态时，所有的绝缘栅双极晶体管所承受的电压均为直流母线电压的四分之一。

Claims (7)

1.一种五电平电力电子变换器，其特征是：变换器的拓扑结构包括：三个与直流母线并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元结构相同，包括10个绝缘栅双极晶体管Sx1-Sx10和4个飞跨电容Cx1-Cx4；
每个桥臂单元中飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3顺向连接，绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极与直流母线的正极相连，发射极与飞跨电容Cx1的正极相连，绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极与飞跨电容Cx3的负极相连，发射极与直流母线的负极相连；绝缘栅双极晶体管Sx3的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极和飞跨电容Cx1正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx9的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx9的发射极与飞跨电容Cx1负极和Cx2正极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx10的集电极与飞跨电容Cx2负极和Cx3正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx4的集电极相连，绝缘栅双极晶体管Sx4的发射极与飞跨电容Cx3负极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx5的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx3的发射极和Sx9的集电极连线的中点相连，发射极与飞跨电容Cx4的正极相连；飞跨电容Cx4的负极与绝缘栅双极晶体管Sx6的集电极，绝缘栅双极晶体管Sx6的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx10的发射极和Sx4的集电极连线的中点相连；绝缘栅双极晶体管Sx7的集电极与绝缘栅双极晶体管Sx5的发射极和飞跨电容Cx4正极连线的中点相连，发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极相连；绝缘栅双极晶体管Sx8的发射极与飞跨电容Cx4负极和绝缘栅双极晶体管Sx6集电极连线的中点相连；
绝缘栅双极晶体管Sx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Sx8的集电极之间设有与负载连接的输出端；所述的x表示为桥臂，即：a桥臂、b桥臂和c桥臂。
2.采用权利要求1所述的一种五电平电力电子变换器拓扑结构，其特征是：每个桥臂单元即每相输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，分别控制桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3 Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。
3.根据权利要求2所述的一种五电平电力电子变换器的控制方法，其特征是：当变换器输出电压为Vdc时，变换器输出电平数为4，此时只有一种开关状态A，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx7发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。
4.根据权利要求2所述的一种五电平电力电子变换器的控制方法，其特征是：当变换器输出电压为3 Vdc/4时，变换器输出电平数为3，此时有4种开关状态B1-B4：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3；当开关状态为B3时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx4；当开关状态为B4时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
5.根据权利要求2所述的一种五电平电力电子变换器的控制方法，其特征是：当变换器输出电压为Vdc/2时，变换器输出电平数为2，此时有6种开关状态C1-C6：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx4；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx7和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3和Cx4；当开关状态为C3时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为C4时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx5，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx3，Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为C5时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和Cx2；当开关状态为C6时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5，Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和Cx3。
6.根据权利要求2所述的一种五电平电力电子变换器的控制方法，其特征是：当变换器输出电压为Vdc/4时，变换器输出电平数为1，此时有4种开关状态D1-D4：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管Sx1，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx1的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx4，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1，Cx2和Cx3；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx3，Sx6，Sx8和Sx10导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx10和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx10的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx6，Sx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3；当开关状态为D3时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx5，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx5和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx5的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx8，Sx9流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2，Cx3和Cx4；当开关状态为D4时，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx7和Sx9导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Sx7和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx7的体二极管和绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx4。
7.根据权利要求2所述的一种五电平电力电子变换器的控制方法，其特征是：当变换器输出电压为0时，变换器输出电平数为0，此时只有一种开关状态E，绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8和Sx9导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Sx2，Sx4，Sx6，Sx8流入变换器。
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