CN111262470B - 变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种变流器及其控制方法，所述变流器的控制方法包括当交流输出端口与直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由交流输出端口流向桥臂电路时，和/或，当交流输出端口与直流中点之间的电压差在预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由桥臂电路流向交流输出端口时，控制桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径。本申请通过控制桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，减少了半导体开关器件在关断过程承受的关断尖峰电压，增加了半导体开关器件的使用寿命，提升了变流器的运行可靠性和容量。

Description

变流器及其控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种变流器及其控制方法。

背景技术

1980年，日本长冈科技大学A.Nabae等人在IEEE-IAS年会上提出二极管中点箝位型(NPC)拓扑变流器。如图1所示，由于NPC拓扑采用两段母线串联的方式，可以提升母线电压和交流输出电压、减小半导体开关器件的开关损耗；因此NPC拓扑得到了广泛应用，各半导体厂家也陆续开发了基于NPC拓扑的半导体功率模块。另外，因为封装和寄生电感的限制，集成的NPC半导体功率模块的功率一般较小，而市场大量使用的两电平半导体功率模块容量大、价格便宜，所以变流器生产厂家普遍是通过两电平半导体功率模块搭建NPC拓扑的变流器。

如图2所示，图2是两电平半导体功率模块的内部电路，包括两个半导体开关器件S1和S2，两个二极管器件D1和D2。图3给出了一种通过两电平半导体功率模块搭建NPC拓扑的变流器的方案，其中PM1:S1(表示两电平半导体功率模块PM1中的半导体开关器件S1，以下类似)、PM1:D1、PM1:S2、PM1:D2通过两电平半导体功率模块PM1搭建，PM2:S1、PM2:D1、PM2:S2、PM2:D2通过两电平半导体功率模块PM2搭建，PM3:S1、PM3:D1、PM3:S2、PM3:D2通过两电平半导体功率模块PM3搭建。

当两电平半导体功率模块应用于NPC拓扑上时，换流路径的寄生参数会大幅增加，半导体开关器件在关断过程会承受关断电压，关断尖峰电压与关断电流和换流回路的寄生电感相关(关断电流越大，关断尖峰电压越大；换流回路的寄生电感越大，关断尖峰电压越大)，较大的关断电流和换流回路的寄生电感都会导致半导体开关器件的关断尖峰电压升高。而半导体开关器件的关断尖峰电压上升，会导致半导体开关器件损坏或寿命降低，降低变流器运行可靠性，同时限制了变流器的容量。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种变流器及其控制方法，以解决由于换流路径的电流过大，导致半导体开关器件在关断过程会承受较大的关断尖峰电压的问题。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供的一种变流器的控制方法，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接；

所述变流器的控制方法包括：

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中所述第一电压为所述直流正端口与所述直流中点之间的电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于所述直流负端口电压。

根据本申请的另一个方面，提供的一种扑变流器，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接；所述变流器还包括控制单元；

所述控制单元，用于当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第一电压等于所述直流正端口电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于所述直流负端口电压。

本申请实施例的变流器及其控制方法，通过控制桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，减少了半导体开关器件在关断过程承受的关断尖峰电压，增加了半导体开关器件的使用寿命，提升了变流器运行可靠性和容量。

附图说明

图1为二极管中点箝位型拓扑结构示意图；

图2为两电平半导体功率模块的内部电路结构示意图；

图3为一种通过两电平半导体功率模块搭建NPC拓扑变流器结构示意图；

图4为NPC拓扑变流器现有的一种换流路径结构示意图；

图5为NPC拓扑变流器现有的另一种换流路径结构示意图；

图6为本申请实施例的变流器的一种换流路径结构示意图；

图7为本申请实施例的变流器的另一种换流路径结构示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

为了更好地阐述本申请实施例，以下结合图1-图5对现有NPC拓扑变流器的控制过程进行说明：

如图3所示，NPC拓扑变流器包括直流正端口P、直流中点O、直流负端口N、NPC桥臂电路以及交流输出端口AC。

两电平半导体功率模块(图中的PM1-PM3)可参考图2所示，每个两电平半导体功率模块均包括两个半导体开关器件S1、S2，以及两个二极管D1、D2；其中，每个半导体开关器件均包括电流输入接口C、电流输出接口E、控制接口G；每个二极管接口均包括电流输入端口A、电流输出端口K。为了便于描述，以下描述中采用PMx:Sy、PMx:Dy的形式进行说明，其中x、y表示数字，PMx:Sy表示两电平半导体功率模块PMx中的半导体开关器件Sy。例如：PM1:S1表示两电平半导体功率模块PM1中的半导体开关器件S1，PM1:D1表示两电平半导体功率模块PM1中的二极管D1。进一步地，PM1:S1:G表示两电平半导体功率模块PM1中的半导体开关器件S1的控制接口G。

数字编号相同的半导体开关器件Sy和二极管Dy是反并联连接。具体地，半导体开关器件Sy的电流输入接口C与二极管Dy的电流输出端口K相连，半导体开关器件Sy的电流输出接口E与二极管Dy的电流输入端口A相连。反并联连接之后，半导体开关器件S1的电流输入接口C为两电平半导体功率模块PMx的1端口，半导体开关器件S1的电流输出接口E与半导体开关器件S2的电流输入接口C相连为两电平半导体功率模块PMx的2端口，半导体开关器件S2的电流输出接口E极为两电平半导体功率模块PMx的3端口。

NPC桥臂电路包括3个两电平半导体功率模块(即PMx中的x值为1、2、3)，PM1的1端口与直流正端口P连接，PM1的2端口与PM2的1端口连接，PM1的3端口、PM3的1端口与直流中点O连接，PM2的2端口为交流输出端口AC连接，PM2的3端口与PM3的2端口连接，PM3的3端口与直流负端口N连接，所有半导体开关器件的控制接口G(PM1:S1:G，PM1:S2:G，PM2:S1:G，PM2:S2:G，PM3:S1:G，PM3:S2:G)与控制单元U1直接或间接连接。

直流正端口P和直流中点O的电压U_PO＝U_dc+，直流中点O和直流负端口N的电压U_ON＝U_dc-，NPC桥臂电路的交流输出端口AC与直流中点O的电压差为U_ACO，控制单元U1控制NPC桥臂电路中半导体开关器件的通断并得到预期的交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO，假设控制单元U1发送给半导体开关器件的控制信号为1时表示控制半导体开关器件导通，控制信号为0时表示控制半导体开关器件关断，电流由NPC桥臂电路流向交流输出端口AC的方向为+，电流自交流输出端口AC流向NPC桥臂电路的方向为-。

变流器可通过输出U_dc+、0、U_dc-来模拟输出电压，现有的控制方法为控制PM1:S1、PM2:S1、PM2:S2、PM3:S2来获得变流器的输出，以下表格为输出信号示例：

如图4所示，当调制输出电压在0和U_dc+之间变化，且电流方向为“-”时，开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM3:S1＝0，交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO为0，电流的流经路径为①(图中实线所示)：AC→PM2:S2→PM3:D1→O，下一步变流器交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO预期调制为U_dc+，变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝0、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM1:S2＝0，电流的流经路径为②(图中虚线所示)：AC→PM2:D1→PM1:D1→P，此时，电流路径从①向②切换，经过多个半导体功率模块之间的变换，路径①的寄生电感为L1，路径②的寄生电感为L2。在换流过程中，由交流输出端口AC输出的电流为i可以认为是一个恒定值，流过②的电流i_L1(t)随时间变化增大，流过①的电流i_L2(t)随时间变化减小。这三个电流有如下关系。

i_L1(t)+i_L2(t)＝i，

开关器件PM2:S2在关断过程所承受的电压尖峰值为:

V_CE(PM2:S2)＝U_dc++V_L1+V_L2，

由此可知，半导体开关器件的换流时间不变，半导体开关器件的关断过程所承受的电压尖峰值与关断电流大小、换流回路的寄生电感正相关，关断电流越大，半导体开关器件关断过程所承受的电压尖峰值越大，寄生电感越大，半导体开关器件关断过程承受的电压尖峰值越大。因此，减小电感换流回路寄生电感L1、L2或减小关断电流i可减小半导体开关器件在此关断过程所承受的尖峰电压。

相同地，如图5所示，当调制输出电压在0和U_dc-之间变化，且电流方向为“+”时，开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM3:S1＝0，交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO为0，电流的流经路径为①(图中实线所示)：O→PM1:D2→PM2:S1→AC，下一步变流器交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO预期调制为U_dc-，变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝0、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM3:S1＝0，电流的流经路径为②(图中虚线所示)：N→PM3:D2→PM2:D2→AC，此过程中PM2:S1承受关断电压，且关断尖峰电压的大小与换流路径的寄生电感、交流输出端AC的电流幅值大小相关，换流路径的寄生电感越大，PM2:S1承受的关断电压越大；交流输出端口AC的电流幅值越大，PM2:S1承受的关断尖峰电压越大。

基于上述分析，本申请第一实施例提供一种变流器的控制方法，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接。

在本实施例中，所述第一功率模块、所述第二功率模块以及所述第三功率模块可以分别为前述的两电平半导体功率模块PM1、PM2、PM3；或者使用单管半导体开关器件构建的，参考图3进行理解：所述第一功率模块可以由两个单管半导体开关器件S1(包含D1)、S2(包含D2)构成。

为了便于说明，以下以两电平半导体功率模块PM1、PM2、PM3为例进行说明。其中，直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口分别为图3中的P、O、N、AC，所述第一功率模块为PM1，所述第一功率模块的第一端为PM1中的标号1所示，所述第一功率模块的第二端为标号2所示，所述第一功率模块的第三端为标号3所示，其他的类似。

所述变流器的控制方法包括：

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第一电压等于所述直流正端口电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于所述直流负端口电压。

在本实施例中，所述预设电压为0或者其他接近直流中点电压值，具体地在此不作限定。

在一种实施方式中，所述当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，包括：

控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

在该实施方式中，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，还包括：

控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

进一步地，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

进一步地，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

在一种实施方式中，所述当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，包括：

控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

在该实施方式中，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率中第一半导体开关器件均关断。

进一步地，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率中第一半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率中第一半导体开关器件、以及所述第三功率中第二半导体开关器件均关断。

进一步地，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率中第一半导体开关器件、以及所述第三功率中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第三功率中第二半导体开关器件均关断。

为了更好地阐述本申请实施例，以下结合图6-图7对NPC拓扑变流器的控制过程进行说明：

本申请方案使用半导体器件PM1:S2和PM3:S1来分摊此换流过程的电流，起到减小上述换流过程的半导体开关PM2:S2、PM2:S1在关断过程所承受的电压。新的控制策略为控制PM1:S1、PM2:S1、PM2:S2、PM3:S2、PM1:S2、PM3:S1来获得变流器的输出，以下表格为输出信号示例：

如图6所示，当调制输出电压在0和U_dc+之间变化，且电流方向为“-”时，开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝1、PM3:S1＝0/1(0或者1)，AC与直流中点O的电压差U_ACO为0，电流的流经路径有两条，①：AC→PM2:S2→PM3:D1→O和②：AC→PM2:D1→PM1:S2→O，理想状态下，两条路径均等于交流输出端口AC的电流一半。下一步交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO预期调制为U_dc+，变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝1、PM2:S1＝1、PM2:S2＝0、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM3:S1＝0/1，电流的流经路径为③(图中虚线所示)：AC→PM2:D1→PM1:D1→P，此时，电流的换流路径有两条：路径1从①向③换流，路径2从②向③换流，路径1的换流电源只有前述控制方法的一半，路径2在半导体模块PM1内部换流。因此，图6换流过程中PM2:S2所承受的电压尖峰值要小于图4换流过程中PM2:S2所承受的电压尖峰值。需要说明的是，在切换过程中还包括两个中间状态，即变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝0、PM3:S2＝0、PM1:S2＝1、PM3:S1＝0/1；以及PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝0、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0、PM3:S1＝0/1。

相同地，如图7所示，当调制输出电压在0和U_dc-之间变化，且电流方向为“+”时，开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝1、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0/1、PM3:S1＝1，交流输出端口AC与直流中点O的电压差U_ACO为0，电流的流经路径有两条，①：O→PM1:D2→PM2:S1→AC和②：O→PM3:S1→PM2:D2→AC，理想状态下，两条路径均等于交流输出端口AC的电流一半，下一步变流器交流输出端口AC端口与直流中点O的电压差U_ACO预期调制为U_dc-，变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝0、PM2:S2＝1、PM3:S2＝1、PM1:S2＝0/1、PM3:S1＝0，电流的流经路径为③(图中虚线所示)：N→PM3:D2→PM2:D2→AC，此时，电流的换流路径有两条：路径1从①向③换流，路径2从②向③换流，路径1的换流电流只有前述控制方法的一半，路径2在半导体模块PM3内部换流。因此，图7换流过程中PM2:S1所承受的电压尖峰值要小于图5换流过程中PM2:S1所承受的电压尖峰值。与之类似的，在切换过程中还包括两个中间状态，即变流器的控制单元U1发出的开关器件状态为PM1:S1＝0、PM2:S1＝0、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0/1、PM3:S1＝1；以及PM1:S1＝0、PM2:S1＝0、PM2:S2＝1、PM3:S2＝0、PM1:S2＝0/1、PM3:S1＝0。

本申请实施例的变流器的控制方法，通过控制桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，减少了半导体开关器件在关断过程承受的关断尖峰电压，增加了半导体开关器件的使用寿命，提升了变流器运行可靠性和容量。

第二实施例

本申请第二实施例提供一种扑变流器，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接。

所述变流器还包括控制单元；

所述控制单元，用于当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第一电压等于所述直流正端口电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于所述直流负端口电压。

所述控制单元的具体地控制过程可参考前述内容，在此不作赘述。

本申请实施例的变流器，通过控制桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，减少了半导体开关器件在关断过程承受的关断尖峰电压，增加了半导体开关器件的使用寿命，提升了变流器运行可靠性和容量。

以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种变流器的控制方法，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接；

其特征在于，所述变流器的控制方法包括：

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于直流中点电压，所述第一电压等于直流正端口电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于直流负端口电压。

2.根据权利要求1所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，包括：

控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

3.根据权利要求2所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，还包括：

控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

4.根据权利要求3所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

5.根据权利要求4所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第一功率模块中第二半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第一功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第二功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

6.根据权利要求1所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径，包括：

控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

7.根据权利要求6所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第一半导体开关器件均关断。

8.根据权利要求7所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第一半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

9.根据权利要求8所述的变流器的控制方法，其特征在于，所述控制所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之后，

且所述控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、所述第三功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断之前，还包括：

控制所述第二功率模块中第二半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第一半导体开关器件均导通，并控制所述第一功率模块中第一半导体开关器件、所述第二功率模块中第一半导体开关器件、以及所述第三功率模块中第二半导体开关器件均关断。

10.一种变流器，所述变流器包括直流正端口、直流中点、直流负端口、交流输出端口以及设置在所述直流正端口和所述直流负端口之间的桥臂电路；

所述桥臂电路包括第一功率模块、第二功率模块以及第三功率模块；每一个功率模块均包括第一二极管、第二二极管、以及串联连接的第一半导体开关器件和第二半导体开关器件，所述第一半导体开关器件与所述第一二极管反并联连接，所述第二半导体开关器件与所述第二二极管反并联连接；

所述第一功率模块的第一端与所述直流正端口连接、第二端与所述第二功率模块的第一端连接、第三端与所述直流中点连接；所述第二功率模块的第二端与所述交流输出端口连接、第三端与所述第三功率模块的第二端连接；所述第三功率模块的第一端与所述直流中点连接、第三端与所述直流负端口连接；

其特征在于，所述变流器还包括控制单元；

所述控制单元，用于当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在预设电压和第一电压之间切换、且电流方向为由所述交流输出端口流向所述桥臂电路时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于直流中点电压，所述第一电压等于直流正端口电压；和/或，

当所述交流输出端口与所述直流中点之间的电压差在所述预设电压和第二电压之间切换、且电流方向为由所述桥臂电路流向所述交流输出端口时，控制所述桥臂电路中半导体开关器件的工作状态增加一条电流的流经路径；其中，在不计入桥臂电路压降和线路压降的情况下，所述预设电压等于所述直流中点电压，所述第二电压等于直流负端口电压。

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