CN110098755A - 一种五电平混合π型变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型五电平混合π型变换器，适用于电力电子技术领域。该变换器为共直流母线结构，包括与直流母线电压并联的三个桥臂单元，每个桥臂单元由8个绝缘栅双极晶体管和3个飞跨电容组成。与传统的五电平变换器相比，本发明的新型五电平混合π型变换器所需器件少，拓扑结构更加简单，易于控制，可提高装置整体的稳定性和效率。

Description

一种五电平混合π型变换器
技术领域
本发明涉及一种五电平混合π型变换器，尤其适用于电力电子技术领域使用的五电平混合π型变换器。
背景技术
随着世界人口增长和现代社会经济的快速发展，社会对能源的需求也日益增长，能源和环境已逐步成为当今世界所面临的两大问题。近年来世界各国政府和组织一方面大力推广可再生能源的发展，如风能、光伏的应用，改善能源结构，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，去除过多的能源产能，增加有效利用率。
多电平变换器因其具有较高的电压输出能力、较低的谐波特性、电压应力和电磁干扰，被广泛的应用在中高压大功率场合。同时，多电平变换器因其开关损耗和谐波含量低，对散热片和输出滤波器的要求较低，使装置体积小、重量轻，在低压高功率密度的特殊场合具有一定的应用前景。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。例如最经典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。随着电平数的增加，钳位二极管的数量急剧增加，降低系统的可靠性；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。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，这就导致了该变换器体力庞大，成本较高。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。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于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，体积小，稳定性好，易于控制的五电平混合π型变换器。
针对上述技术目的，本发明的电平混合π型变换器，它包括个三个与直流母线电压并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元包括8个绝缘栅双极晶体管和3个飞跨电容；
每个桥臂单元中的3个飞跨电容顺向串联，8个绝缘栅双极晶体管中有4个绝缘栅双极晶体管的集电极与发射极顺向串联，3个顺向串联的飞跨电容分别为飞跨电容Cx1、飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3，4个顺向串联的绝缘栅双极晶体管分别为绝缘栅双极晶体管Tx1，绝缘栅双极晶体管Tx2，绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8，其中飞跨电容Cx1的正极与绝缘栅双极晶体管Tx1的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx2的集电极之间相连接，飞跨电容Cx1的负极与飞跨电容Cx2的正极相连接，飞跨电容Cx1的负极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4，其中绝缘栅双极晶体管Tx3的集电极与飞跨电容Cx1的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx3的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx4的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx4的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极相连接，飞跨电容Cx2的负极与飞跨电容Cx3的正极相连接，飞跨电容Cx2的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6，其中绝缘栅双极晶体管Tx5的集电极与飞跨电容Cx2的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx5的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx6的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx6的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极相连接，飞跨电容Cx3的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx8的集电极之间相连接；
绝缘栅双极晶体管Tx4与绝缘栅双极晶体管Tx6之间设有与负载连接的输出端。
使用Vdc标示直流母线电压，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。
当变换器输出电平数为4时，直流电压源输出电压为Vdc，此时只有一种开关状态A，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管流入变换器；
当变换器输出电平数为3时，变换器输出电压为3Vdc/4，此时有两种开关状态B1和B2：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Tx4的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4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Tx2和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，电流大于0时通过绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时通过绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管，绝缘栅双击晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；
当变换器输出电平数为2时，变换器输出电压为Vdc/2，此时有两种开关状态C1和C2：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和飞跨电容Cx2；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管Tx3，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3。
当变换器输出电平数为1时，变换器输出电压为Vdc/4，此时有两种开关状态D1和D2：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx7导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx7流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管Tx5，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3。
当变换器输出电平数为0时，变换器输出电压为0，此时只有一种开关状态E：绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8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Tx7和Tx8流入变换器。
有益效果：本发明提出的一种新型五电平混合π型变换器拓扑结构，与传统五电平变换器相比，所需器件较少，装置拓扑结构简单，易于控制，稳定性好，整体效率高。
附图说明
附图1为本发明的新型五电平混合π型变换器拓扑结构图；
附图2a为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为A时的电流回路图；
附图2b为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为B1时的电流回路图；
附图2c为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为B2时的电流回路图；
附图2d为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为C1时的电流回路图；
附图2e为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为C2时的电流回路图；
附图2f为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为D1时的电流回路图；
附图2g为本发明的新型五电平混合π型变换器的开关状态为D2时的电流回路图；
附图2h为本发明的新型五电平混合π型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混合π型变换器系统结构图如图1所示，该变换器为共母线结构，包括个三个与直流母线电压并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元包括8个绝缘栅双极晶体管和3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。
每个桥臂单元中的3个飞跨电容顺向串联，8个绝缘栅双极晶体管中有4个绝缘栅双极晶体管的集电极与发射极顺向串联，3个顺向串联的飞跨电容分别为飞跨电容Cx1、飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3，4个顺向串联的绝缘栅双极晶体管分别为绝缘栅双极晶体管Tx1，绝缘栅双极晶体管Tx2，绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8，其中飞跨电容Cx1的正极与绝缘栅双极晶体管Tx1的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx2的集电极之间相连接，飞跨电容Cx1的负极与飞跨电容Cx2的正极相连接，飞跨电容Cx1的负极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4，其中绝缘栅双极晶体管Tx3的集电极与飞跨电容Cx1的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx3的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx4的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx4的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极相连接，飞跨电容Cx2的负极与飞跨电容Cx3的正极相连接，飞跨电容Cx2的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6，其中绝缘栅双极晶体管Tx5的集电极与飞跨电容Cx2的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx5的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx6的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx6的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极相连接，飞跨电容Cx3的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx8的集电极之间相连接；
绝缘栅双极晶体管Tx4与绝缘栅双极晶体管Tx6之间设有与负载连接的输出端。
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；则变换器每种电压等级所对应的开关状态如表1所示：
由表1所示，该五电平变换器的工作状态如下：
(1)当变换器输出电平数为4
变换器输出电压为Vdc，此时只有一种开关状态A(如图2a所示)：绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管流入变换器。
(2)当变换器输出电平数为3
变换器输出电压为3Vdc/4，此时有两种开关状态B1和B2：当开关状态为B1时(如图2b所示)，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx4的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4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Tx2和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容。
(3)当变换器输出电平数为2
变换器输出电压为Vdc/2，此时有两种开关状态C1和C2：当开关状态为C1时(如图2d所示)，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和飞跨电容Cx2。当开关状态为C2时(如图2e所示)，绝缘栅双极晶体管Tx3，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3。
(4)当变换器输出电平数为1
变换器输出电压为Vdc/4，此时有两种开关状态D1和D2：当开关状态为D1时(如图2f所示)，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx7导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx7流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容，当开关状态为D2时(如图2g所示)，绝缘栅双极晶体管Tx5，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3。
(5)当变换器输出电平数为0
变换器输出电压为0，此时只有一种开关状态E(如图2h所示)：绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8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Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器。

Claims (7)

1.一种五电平混合π型变换器，其特征在于：它包括个三个与直流母线电压并联连接的桥臂单元，每个桥臂单元包括8个绝缘栅双极晶体管和3个飞跨电容；
每个桥臂单元中的3个飞跨电容顺向串联，8个绝缘栅双极晶体管中有4个绝缘栅双极晶体管的集电极与发射极顺向串联，3个顺向串联的飞跨电容分别为飞跨电容Cx1、飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3，4个顺向串联的绝缘栅双极晶体管分别为绝缘栅双极晶体管Tx1，绝缘栅双极晶体管Tx2，绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8，其中飞跨电容Cx1的正极与绝缘栅双极晶体管Tx1的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx2的集电极之间相连接，飞跨电容Cx1的负极与飞跨电容Cx2的正极相连接，飞跨电容Cx1的负极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4，其中绝缘栅双极晶体管Tx3的集电极与飞跨电容Cx1的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx3的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx4的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx4的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx2的发射极相连接，飞跨电容Cx2的负极与飞跨电容Cx3的正极相连接，飞跨电容Cx2的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极之间串联有绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6，其中绝缘栅双极晶体管Tx5的集电极与飞跨电容Cx2的负极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx5的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx6的发射极相连接，绝缘栅双极晶体管Tx6的集电极与绝缘栅双极晶体管Tx7的集电极相连接，飞跨电容Cx3的负极与绝缘栅双极晶体管Tx7的发射极与绝缘栅双极晶体管Tx8的集电极之间相连接；
绝缘栅双极晶体管Tx4与绝缘栅双极晶体管Tx6之间设有与负载连接的输出端。
2.根据权利要求1所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：当变换器输出电平数为4时，直流电压源输出电压为Vdc，此时只有一种开关状态A，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管流入变换器。
4.根据权利要求1或2所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：当变换器输出电平数为3时，变换器输出电压为3Vdc/4，此时有两种开关状态B1和B2：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx3和绝缘栅双极晶体管Tx4导通，当电流大于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Tx4的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，电流通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4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Tx2和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，电流大于0时通过绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx2流出变换器，当电流小于0时通过绝缘栅双极晶体管Tx2的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容。
5.根据权利要求1或2所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：当变换器输出电平数为2时，变换器输出电压为Vdc/2，此时有两种开关状态C1和C2：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管Tx1、绝缘栅双极晶体管Tx5和绝缘栅双极晶体管Tx6导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx1和飞跨电容Cx2；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管Tx3，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx3流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx3的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx4和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx2和飞跨电容Cx3。
6.根据权利要求1或2所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：当变换器输出电平数为1时，变换器输出电压为Vdc/4，此时有两种开关状态D1和D2：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管Tx1和绝缘栅双极晶体管Tx7导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx1流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx1的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx7流入变换器，此时电流流经所有的飞跨电容；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管Tx5，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx5流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx5的体二极管，绝缘栅双极晶体管Tx6和绝缘栅双极晶体管Tx8流入变换器，此时电流流经飞跨电容Cx3。
7.根据权利要求1或2所述的五电平混合π型变换器，其特征在于：当变换器输出电平数为0时，变换器输出电压为0，此时只有一种开关状态E：绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管Tx7和绝缘栅双极晶体管Tx8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Tx7和Tx8流入变换器。
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