CN110601580A - 一种五电平h桥变流器及其预充电方法 - Google Patents

一种五电平h桥变流器及其预充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五电平H桥变流器，拓扑为五电平H桥单相输出结构，采用模块化设计，可组成多相输出的系统，采用吸收回路以有效地降低特定开关器件上的电压尖峰和振荡；通过控制开关器件的开关顺序，使变流器模块在上电的过程中，将负载接入直流母线对电路中电容器组进行分段预充电，防止通过电容器组的电流过大；当检测到各段电容器组电压均达到预设值时，预充电过程结束，控制开关管切断负载与直流母线间的连接，变流器进入正常工作模式。较之现有高压五电平变流器所使用的电路拓扑，可以有效地降低特定开关器件上由于高压线路中存在的杂散电感导致的电压尖峰和振荡，对电路中的电容器组进行有效地分段预充电，对各电容器组的电压进行控制。

Description

一种五电平H桥变流器及其预充电方法
技术领域
本发明属于电气传动、电力系统等高压大容量电力电子变流领域，具体涉及一种五电平H桥变流器，以及其预充电方法。
背景技术
目前，随着高压电力系统和大功率电机控制等领域中高压大容量电力电子技术的发展，五电平逆变器的拓扑结构及控制技术得到了普遍的应用。由于目前电力电子器件的耐压能力有限，为了实现利用低耐压开关输出高电压的功能，通常通过电力电子器件或电力电子桥臂模块的串并联等手段来增大系统的容量。而且，五电平变流器和传统的两电平变流器相较，具有输出电平数多、输出波形更逼近于正弦波等特点，成为该领域研究的热点。
图1和图2所示的五电平变流器，包括三个单相H桥变流器，每个单相H桥逆变器均由拓扑结构一致的左桥臂和右桥臂组成，每个桥臂均由12个开关器件S1～S12和1个飞跨电容器Cf组成；所有桥臂的直流母线并联，且母线两端并联两个串联的支撑电容器Cd1和Cd2。这种变流器应用于高压场合时，往往由于线路较长，线路上的杂散电感很大，从而导致特定开关器件（图中标记为4的开关器件S5和S11）在开通和关断瞬间，承受很大的电压尖峰和振荡，如果不对该电压尖峰进行吸收和限制，则容易造成开关器件的损坏。
变流器在上电初期，防止通过电容器组的电流过大，需要对电路中包括飞跨电容在内的电容器组进行预充电。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有技术的不足，提出一种新型的五电平H桥变流器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种五电平H桥变流器，包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由结构一致的左桥臂和右桥臂组成，所有桥臂的输入端连接至直流母线，输出端接单相阻感负载，所述的第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2串联；
所述的桥臂包括由开关器件S1和开关器件S2依次连接形成的第一支路，由开关器件S3、开关器件S4、开关器件S9和开关器件S11依次连接形成的第二支路，由开关器件S5、开关器件S6、开关器件S10和开关器件S12依次连接形成的第三支路，由开关器件S7和开关器件S8依次连接形成的第四支路，由第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2形成的第五支路以及飞跨电容器Cf和由电容器组Cx、二极管Dx和功率电阻Rx组成的吸收回路；
所述的第一支路中开关器件S1的集电极与第一支撑电容器Cd1的正极相连接，开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连接，开关器件S2的发射极同时连接开关器件S9和开关器件S4的集电极；
所述的第二支路中开关器件S3的发射极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S5的集电极，开关器件S3的集电极与开关器件S4的发射极相连接，开关器件S4的集电极同时连接开关器件S2的发射极和开关器件S9的集电极，开关器件S9的发射极连接开关器件S11的集电极，开关器件S11的发射极与开关器件S12的集电极相连接；
所述的第三支路中开关器件S5集电极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S7的发射极，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连接，开关器件S6的发射极同时连接开关器件S8的集电极和开关器件S10的发射极，开关器件S10的集电极同时连接S12的发射极和飞跨电容器Cf的负极，开关器件S12的集电极与开关器件S11的发射极相连接；
所述的第四支路中开关器件S7的发射极与第二支撑电容器Cd2的负极相连接，开关器件S7的集电极与开关器件S8的发射极相连接，开关器件S8的发射极同时连接开关器件S6和开关器件S10的发射极；
所述的第五支路中第一支撑电容器Cd1的正极与开关器件S1的集电极相连接，第一支撑电容器Cd1的负极同时连接开关器件S3的发射极、开关器件S5的集电极和第二支撑电容器Cd2的正极，第二支撑电容器Cd2的正极同时连接开关器件S3的发射极、开关器件S5的集电极和第一支撑电容器Cd1的负极，第二支撑电容器Cd2的负极与开关器件S7的发射极相连接；
所述飞跨电容器Cf的正极同时连接开关器件S9的发射极和开关器件S11的集电极，飞跨电容器Cf的负极同时连接开关器件S10的集电极和开关器件S12的发射极；
所述的吸收回路中电容器组Cx的负极同时连接开关器件S8的集电极、开关器件S6和开关器件S10的发射极，电容器组Cx的正极连接二极管Dx的负极，功率电阻Rx与二极管Dx并联，二极管Dx的正极同时连接开关器件S2的发射极、开关器件S4和开关器件S9的集电极。
进一步，所述的开关器件S1～S12为IGBT、IGCT、GTO或IEGT。
本发明的目的之二是提出上述五电平H桥变流器的预充电方法，将五电平变流器的工作阶段分为上电预充电工作阶段和常压正常工作阶段：变流器在初始上电时，首先进入预充电工作阶段，将负载接入直流母线进行分压，对吸收回路及飞跨电容器Cf进行预充电；在常压工作阶段，五电平变流器恢复正常运行状态，对负载输出正常五电平电压。
进一步，当五电平变流器中飞跨电容器Cf电压达到直流母线电压1/4时，停止对飞跨电容器Cf充电；当支撑电容器组Cd1、Cd2和吸收回路两端电压均达到直流母线电压1/2时，五电平变流器结束预充电工作状态，转入正常工作状况。
本发明的有益技术效果为：
本发明采用模块化结构设计，具有高功率密度，高可靠性等优点，根据系统功率需求，功率模块设计成基于IGBT的电容箝位型五电平单相半桥结构，变流器可采用2个变流模块作为H桥的左、右桥臂实现单相输出，亦可采用多个变流模块组合实现多相输出。
本发明吸收回路中的电容可以有效地降低特定开关器件在开关过程中由于高压线路中杂散电感所造成的的尖峰电压，在相同参数下，特定开关器件在开关过程中承受的电压尖峰和振荡大大降低。
附图说明
图1为现有技术中的三相高压变流器原理图；
图2为现有技术中的三相高压变流器中单桥臂的电路拓扑；
图3为本发明五电平H桥变流器的原理图；
图4为本发明五电平H桥变流器中单桥臂的电路拓扑图；
图5为本发明五电平H桥变流器预充电原理图；
图6为现有技术三相高压变流器中特定开关器件（S5和S11）两端尖峰电压。
图7为相同参数下，本发明五电平H桥变流器中特定开关器件（S9和S10）两端尖峰电压。
具体实施方式
如图3和图4所示，本发明实施例的五电平H桥变流器，由控制单元（图中未示出）、受控开关器件S1～S12及其反并联二极管D1～D12、支撑电容器组Cd1和Cd2、飞跨电容器Cf、吸收回路及负载（Open-Winding Load）组成，所述受控开关器件由控制单元驱动。
本发明的五电平H桥变流器包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由结构一致的左桥臂和右桥臂组成，所有桥臂的输入端连接至直流母线，输出端接单相阻感负载，所述的第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2串联。
所述的桥臂包括由开关器件S1和开关器件S2依次连接形成的第一支路，由开关器件S3、开关器件S4、开关器件S9和开关器件S11依次连接形成的第二支路，由开关器件S5、开关器件S6、开关器件S10和开关器件S12依次连接形成的第三支路，由开关器件S7和开关器件S8依次连接形成的第四支路，由第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2形成的第五支路以及飞跨电容器Cf和由电容器组Cx、二极管Dx和功率电阻Rx组成的吸收回路。
所述的第一支路中开关器件S1的集电极与第一支撑电容器Cd1的正极相连接，开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连接，开关器件S2的发射极同时连接开关器件S9和开关器件S4的集电极。
所述的第二支路中开关器件S3的发射极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S5的集电极，开关器件S3的集电极与开关器件S4的发射极相连接，开关器件S4的集电极同时连接开关器件S2的发射极和开关器件S9的集电极，开关器件S9的发射极连接开关器件S11的集电极，开关器件S11的发射极与开关器件S12的集电极相连接。
所述的第三支路中开关器件S5集电极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S7的发射极，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连接，开关器件S6的发射极同时连接开关器件S8的集电极和开关器件S10的发射极，开关器件S10的集电极同时连接S12的发射极和飞跨电容器Cf的负极，开关器件S12的集电极与开关器件S11的发射极相连接。
所述的第四支路中开关器件S7的发射极与第二支撑电容器Cd2的负极相连接，开关器件S7的集电极与开关器件S8的发射极相连接，开关器件S8的发射极同时连接开关器件S6和开关器件S10的发射极。
所述的第五支路中第一支撑电容器Cd1的正极与开关器件S1的集电极相连接，第一支撑电容器Cd1的负极同时连接开关器件S3的发射极、开关器件S5的集电极和第二支撑电容器Cd2的正极，第二支撑电容器Cd2的正极同时连接开关器件S3的发射极、开关器件S5的集电极和第一支撑电容器Cd1的负极，第二支撑电容器Cd2的负极与开关器件S7的发射极相连接。
所述飞跨电容器Cf的正极同时连接开关器件S9的发射极和开关器件S11的集电极，飞跨电容器Cf的负极同时连接开关器件S10的集电极和开关器件S12的发射极。
所述的吸收回路中电容器组Cx的负极同时连接开关器件S8的集电极、开关器件S6和开关器件S10的发射极，电容器组Cx的正极连接二极管Dx的负极，功率电阻Rx与二极管Dx并联，二极管Dx的正极同时连接开关器件S2的发射极、开关器件S4和开关器件S19的集电极。
当系统功率需求与变流器功率相当时，本发明变流器可采用2个变流器模块（M1）进行单相输出；当系统功率需求较大时，可采用m×2个变流器模块（M1、M2、…、Mm）配合进行多相输出。
图5所示为本发明五电平变流器对电路中电容器组进行预充电，开关器件的控制原理图。预充电过程中开关管控制方法为：
预充电过程开关管控制方法：
一、预充电初始阶段，将全部开关状态初始化：
①左桥全部开关管断开；
②右桥全部开关管断开；
③预充电开关断开；
④主开关断开。
二、预充电开始，飞跨电容两端电压未达到阈值，H桥电路通过负载向飞跨电容、支撑电容、吸收回路电容充电：
①预充电开关闭合；
②主开关断开；
③左桥1、3、6、7开通，其余断开；
④右桥10、12、13、16开通，其余断开。
三、当飞跨电容两端电压达到阈值时，由于支撑电容容值大很多，且预充电电阻有分压，所以支撑电容两端电压尚未达到阈值，此时进入预充电第二阶段，停止对飞跨电容充电，继续对支撑电容及吸收回路电容充电：
①主开关闭合；
②预充电开关闭合；
③左桥1、3、5、8开通，其余断开；
④右桥9、11、13、16开通，其余断开。
四、当支撑电容两端电压达到阈值，此时预充电完成，预充电阶段结束，断开预充电开关，闭合主开关。
如图6、7所示，五电平变流器采用新型吸收回路电路拓扑，可以有效地降低特定开关器件（4）上的尖峰电压；五电平变流器采用高度模块化设计，有利于变流器容量扩展；功率模块的开关器件选取不局限于IGBT，可以是其它满足功能的开关器件，如IGCT 、GTO、IEGT等。
本发明功率模块典型结构中的主要器件并不局限于权利1中所述的组成单元，各种用于提高模块性能的器件亦可是其组成部件，如提高功率模块电磁兼容性能的吸收回路、减小dv/dt的LCR滤波器等，实际情况可根据系统需要增减功率模块构件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种五电平H桥变流器，其特征在于：包括三个单相H桥逆变器，每个单相H桥逆变器均由结构一致的左桥臂和右桥臂组成，所有桥臂的输入端连接至直流母线后分别连接第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2，输出端接单相阻感负载，所述的第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2串联；
所述的桥臂包括由开关器件S1和开关器件S2依次连接形成的第一支路，由开关器件S3、开关器件S4、开关器件S9和开关器件S11依次连接形成的第二支路，由开关器件S5、开关器件S6、开关器件S10和开关器件S12依次连接形成的第三支路，由开关器件S7和开关器件S8依次连接形成的第四支路，由第一支撑电容器Cd1和第二支撑电容器Cd2形成的第五支路以及飞跨电容器Cf和由电容器组Cx、二极管Dx和功率电阻Rx组成的吸收回路；
所述的第一支路中开关器件S1的集电极与第一支撑电容器Cd1的正极相连接，开关器件S1的发射极与开关器件S2的集电极相连接，开关器件S2的发射极同时连接开关器件S9和开关器件S4的集电极；
所述的第二支路中开关器件S3的发射极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S5的集电极，开关器件S3的集电极与开关器件S4的发射极相连接，开关器件S4的集电极同时连接开关器件S2的发射极和开关器件S9的集电极，开关器件S9的发射极连接开关器件S11的集电极，开关器件S11的发射极与开关器件S12的集电极相连接；
所述的第三支路中开关器件S5集电极同时连接第一支撑电容器Cd1的负极、第二支撑电容器Cd2的正极和开关器件S7的发射极，开关器件S5的发射极与开关器件S6的集电极相连接，开关器件S6的发射极同时连接开关器件S8的集电极和开关器件S10的发射极，开关器件S10的集电极同时连接开关器件S12的发射极和飞跨电容器Cf的负极，开关器件S12的集电极与开关器件S11的发射极相连接；
所述的第四支路中开关器件S7的发射极与第二支撑电容器Cd2的负极相连接，开关器件S7的集电极与开关器件S8的发射极相连接，开关器件S8的发射极同时连接开关器件S6和开关器件S10的发射极；
所述的第五支路中第一支撑电容器Cd1的正极与开关器件S1的集电极相连接，第一支撑电容器Cd1的负极同时连接开关器件S3的发射极、开关器件S5的集电极和第二支撑电容器Cd2的正极，第二支撑电容器Cd2的正极同时连接开关器件S3的发射极和开关器件S5的集电极，第二支撑电容器Cd2的负极与开关器件S7的发射极相连接；
所述飞跨电容器Cf的正极同时连接开关器件S9的发射极和开关器件S11的集电极，飞跨电容器Cf的负极同时连接开关器件S10的集电极和开关器件S12的发射极；
所述的吸收回路中电容器组Cx的负极同时连接开关器件S8的集电极、开关器件S6和开关器件S10的发射极，电容器组Cx的正极连接二极管Dx的负极，功率电阻Rx与二极管Dx并联，二极管Dx的正极同时连接S2的发射极、开关器件S4和开关器件S9的集电极。
2.根据权利要求1所述的一种五电平H桥变流器，其特征在于，所述的开关器件S1～S12为IGBT、IGCT、GTO或IEGT。
3.一种如权利要求1所述五电平H桥变流器的预充电方法，其特征在于，包括上电预充电工作阶段和常压正常工作阶段：变流器在初始上电时，首先进入预充电工作阶段，将负载接入直流母线进行分压，对吸收回路及飞跨电容器Cf进行预充电；在常压工作阶段，五电平变流器恢复正常运行状态，输出正常五电平电压。
4.根据权利要求3所述的五电平H桥变流器的预充电方法，其特征在于，当飞跨电容器Cf电压达到直流母线电压1/4时，停止对飞跨电容器Cf充电；当第一支撑电容器Cd1、第二支撑电容器Cd2和吸收回路两端电压均达到直流母线电压1/2时，五电平变流器结束预充电工作状态，转入正常工作状况。
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