CN111490694A - 一种变流器中i型三电平母线中点电压自动均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子变流器技术领域，公开了一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，包括：输入软起装置、由母线电容C1和母线电容C2串联的串联支路、自动均衡电路、I型NPC三电平桥臂和输出滤波器；自动均衡电路包括功率器件IGBT5、功率器件IGBT6、变压器TR1、电容C3和电容C4。本发明实现了能够实时自动对母线电容中点电压进行动态均衡调整，使得DC/AC输出正负半周波形更加对称。

Description

一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路
技术领域
本发明属于电力电子变流器技术领域，尤其涉及一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路。
背景技术
随着近些年高校/科研单位/高新企业对多电平技术的不断研究和突破，多电平电路越来越多的应用在DC/AC产品中。I型三电平DC/AC逆变电路作为一款比较经典实用多电平电路拓扑，因其具有较好的输出波形正弦度、较低谐波含量、较低的电压应力、较低EMI输出等优点，在很多交流传动产品、新能源离/并网发电装置、新能源汽车电驱电控产品中等等更为常见。然而，在实际应用中，由于I型三电平DC/AC逆变装置在采用PWM调制时，母线电容中点电压在存在失衡现象，造成了输出交流波形存在直流偏值，造成输出波形不对称，严重影响了机器的输出特性，对负载造成不良影响。因此，解决I型三电平电路母线中点不平衡的问题十分必要，且意义重大。
目前，针对二极管中点钳位的I型三电平逆变电路中出现的母线中点电压不平衡问题，常见的处理技术方法有以下几种：1)在上下直流母线电容排上并联均压电阻；2)外加独立的DC/DC变流器装置或功能模块；3)借助母线中点电压采样，通过优化软件算法在线调整。
这些已有的常见技术在母线中点电压不平衡问题上虽然取得了一定的成效，但是基于各自固有的电路特征及控制特点，都存在一些不足。
1)在上下直流母线电容排上并联电阻：在I型三电平逆变电路中，采用在上下直流母线电容排上并联电阻，在一定程度上可以减小因母线电容内部寄生参数离散型而造成的中点电压偏移，但是这种方法无法实现动态调整，而且受制于电阻的精度，因此对母线中点电压不平衡问题的解决成效十分有限，而且还存在一定的阻性耗能。
2)外加独立的DC/DC变流器装置或功能模块：该方法虽然可以较好的解决I型三电平母线中点电压不平衡的问题，但是外加电路器件较多，需要独立功率回路和控制电路，会造成机器成本高、体积大、系统复杂，而且还会造成较大的功率损耗。
借助母线中点电压采样，通过优化软件算法在线调整：该技术方法虽然所需外围器件较少，但是对母线中点电压采样的精度要求较高，控制环路算法也较为复杂。另外，在母线中点电压采样受到干扰时，机器工作将会异常，有可能产生更坏的效果；在机器运行在开关机过程/切换负载过程等某些状态下，无法实现可靠有效的调整。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，能够实时自动对母线电容中点电压进行动态均衡调整，使得DC/AC输出正负半周波形更加对称。
本发明实施例是这样实现的：
一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，包括：输入软起装置、由母线电容C1和母线电容C2串联的串联支路、自动均衡电路、I型NPC三电平桥臂和输出滤波器；直流输入端连接输入软起装置，所述串联支路并联在直流输入端之间，自动均衡电路连接在直流输入端之间，并与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接，I型NPC三电平桥臂连接在直流输入端之间，并与自动均衡电路连接，输出滤波器与I型NPC三电平桥臂的电压输出端连接，以及与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
自动均衡电路包括功率器件IGBT5、功率器件IGBT6、变压器TR1、电容C3和电容C4，功率器件IGBT5、变压器TR1的N2绕组、电容C3、电容C4、变压器TR1的N3绕组和功率器件IGBT6依次串联后连接在直流输入端之间，其中，功率器件IGBT5与变压器TR1的N2绕组的同名端连接，变压器TR1的N2绕组的另一端连接电容C3，功率器件IGBT6与变压器TR1的N3绕组的同名端连接，变压器TR1的N3绕组的另一端连接电容C4；变压器TR1的N1绕组的同名端连接在电容C3和电容C4的连接点，变压器TR1的N1绕组的另一端与I型NPC三电平桥臂连接，电容C3和电容C4的连接点与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
其中，功率器件IGBT5和功率器件IGBT6均带有反并联续流二极管。
所述的一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，母线电容C1和母线电容C2电容值等同，电容C3和电容C4电容值等同；电容C3和电容C4的容值，大于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/10且小于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/5。
所述的一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，变压器TR1的N1绕组的电感量小于或等于输出滤波器中滤波电感电感量的1/20。
本发明实施例在二极管中点钳位的I型三电平电路拓扑研究和应用的基础上，本发明提出的这种母线电容中点电位自动均衡电路，仅采用五个器件构成，即一个变压器TR1、两颗电容C1和C2、两颗开关器件Q5和Q6，进行合理的设计，无需复杂外围控制电路和控制算法的条件下，在I型三电平逆变装置每一个PWM调制工作周期内，自动完成对母线电容中点电位实时调整，使上下串联的母线电容电压实现自动均衡，确保I型三电平逆变输出波形更加正弦、对称，直流分量更小，机器输出性能更好。
附图说明
图1是本发明中I型三电平母线电容中点电压自动均衡硬件电路拓扑图；
图2是本发明中I型三电平母线电容中点电压自动均衡硬件电路拓扑第二阶段工作原理图；
图3是本发明中I型三电平母线电容中点电压自动均衡硬件电路拓扑第三阶段工作原理图；
图4是本发明中I型三电平母线电容中点电压自动均衡硬件电路拓扑第五阶段工作原理图；
图5是本发明中I型三电平母线电容中点电压自动均衡硬件电路拓扑第六阶段工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
本发明主要针对电力电子变流器中DC/AC逆变装置或功能模块采用二极管中点钳位的I型三电平拓扑时，工作运行中出现的母线电容中点电压不均衡的问题，应用领域主要涉及各个行业的电力电子变流器产品。
应用方式为：本发明在二极管中点钳位的I型三电平电路拓扑的基础上，提出了一种可靠实用的动态调整母线电容中点电位自动均衡电路，可以在I型三电平逆变装置或功能模块工作过程中实时对母线电容中点电压进行动态均衡调整，实现DC/AC输出正负半周波形更加对称。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，包括：输入软起装置、由母线电容C1和母线电容C2串联的串联支路、自动均衡电路、I型NPC三电平桥臂和输出滤波器；直流输入端连接输入软起装置，所述串联支路并联在直流输入端之间，自动均衡电路连接在直流输入端之间，并与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接，I型NPC三电平桥臂连接在直流输入端之间，并与自动均衡电路连接，输出滤波器与I型NPC三电平桥臂的电压输出端连接，以及与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
自动均衡电路包括功率器件IGBT5、功率器件IGBT6、变压器TR1、电容C3和电容C4，功率器件IGBT5、变压器TR1的N2绕组、电容C3、电容C4、变压器TR1的N3绕组和功率器件IGBT6依次串联后连接在直流输入端之间，其中，功率器件IGBT5与变压器TR1的N2绕组的同名端连接，变压器TR1的N2绕组的另一端连接电容C3，功率器件IGBT6与变压器TR1的N3绕组的同名端连接，变压器TR1的N3绕组的另一端连接电容C4；变压器TR1的N1绕组的同名端连接在电容C3和电容C4的连接点，变压器TR1的N1绕组的另一端与I型NPC三电平桥臂连接，电容C3和电容C4的连接点与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
其中，功率器件IGBT5和功率器件IGBT6均带有反并联续流二极管。
针对二极管钳位I型三电平DC/AC逆变装置或功能模块在工作运行时，直流侧母线电容中点电压不平衡造成了上下母线电压不对称，导致逆变输出波形畸变、直流分量大等问题，本发明在二极管中点钳位的I型三电平电路拓扑的基础上，提出了一种可靠实用的动态调整母线电容中点电位自动均衡电路，实现I型三电平逆变输出正负半周波形更加对称。
本发明提出的母线电容中点电位自动均衡电路拓扑如图1虚框部分所示。从图1电路拓扑可知，输入软起装置由开关S1、S2及电阻R1构成，I型NPC三电平桥臂由功率器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4和二极管D1、D2构成；输出滤波器由电感Lo和电容Co构成；母线电容C1和C2串联后并联在直流输入端，C1和C2连接点提供一个中点电压DCN，该中点电压DCN与输出滤波电容Co的一端相连；母线电容中点电位自动均衡电路由功率开关器件IGBT5和IGBT6、变压器TR1、电容C3和C4构成，其中功率器件IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5和IGBT6均带有反并联续流二极管。从拓扑结构看，该电路具有拓扑简单、实现方便、不需要软件控制、工作可靠性高等优点。
在本发明中，为了使母线电容中点电位自动均衡电路不对原有二极管中点钳位的I型三电平电路拓扑在PWM调制工作时产生较大的影响，变压器TR1 N1绕组的电感量小于或等于滤波电感Lo电感量的1/20(二十分之一)，母线电容C1和母线电容C2电容值等同，电容C3和电容C4电容值等同；电容C3和电容C4的容值，大于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/10(十分之一)且小于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/5(五分之一)。变压器TR1、电容C3/C4的具体设计参数，需要根据产品额定功率/电压/电流进行合理设计。
本发明提出的I型三电平逆变器母线电容中点电压自动均衡电路具体工作过程如下：
首先，I型三电平逆变装置或功能模块在辅助控制低压电正常工作前提下，软件检测各个输入信号无故障，输入高压电部分完成软起后，再依次闭合IGBT5、IGBT6，保证C3、C4上的电压VC3、VC4分别充满到Vin/2，然后关闭IGBT5、IGBT6，为机器开机运行做好准备工作。
根据I型三电平逆变拓扑功率器件开关组合工作特点，在DC/AC逆变一个工作周期内，本发明提出的母线电容中点电压自动均衡电路工作过程大致可以分为六个阶段。
第一阶段：IGBT1和IGBT2导通、IGBT3和IGBT4关断阶段，上半桥臂对应的母线电容C1上电压，经过功率器件IGBT1和IGBT2，输出Vin/2正电压，经过滤波电感Lo和滤波电容Co后，提供Vo正弦电压的正半周输出。在这一阶段，母线电容C1上电压会受带载情况的影响而减小，造成母线中点电位不平衡。此时由于变压器TR1各个绕组上电流变化非常小，即可理想认为母线电容中点电压自动均衡电路不参与工作。
第二阶段：IGBT1和IGBT4关闭、IGBT2和IGBT3导通阶段，此时滤波电感上电流Io完成从第一阶段回路到第二阶段回路切换，并实现Io续流，如图2所示。
在回路1中，滤波电感上电流Io经过变压器TR1 N1绕组、钳位二极管D1、功率器件IGBT2、自身滤波电感Lo和滤波电容Co后，继续为输出电源Vo提供正半周正弦电流。
在这一阶段，变压器TR1 N1绕组流经电流变化较大，N1绕组上产生的电压也大，根据变压器的多个绕组同名端工作原理，N2和N3绕组上也产生较大电压。
在回路2中，变压器TR1 N2绕组上产生了上正下负的电压VN2，该电压通过叠加VC3上的电压后，通过IGBT5反并联二极管可以实现对母线电容C1充电。
在该阶段过程中，由于变压器TR1 N3绕组上产生了上负下正的电压VN3，由于功率器件IGBT6反并联二极管的阻断作用，因此不参与工作。
第三阶段：IGBT2与IGBT4切换过渡过程中。在该阶段，当滤波电感上电流Io为零时，正常进入到第四阶段。
当滤波电感上电流Io不为零时，会有三条回路产生，如图3所示。
在回路1中，变压器TR1 N1绕组续流，经过钳位二极管D1、IGBT1的寄生电容，给母线电容C1充电。
在回路2中，变压器TR1 N3绕组上感应出上正下负的电压VN3，该电压通过叠加VC4上的电压后，通过IGBT6反并联二极管可以完成对母线电容C2充电。
在回路3中，母线电容C2、IGBT4、IGBT3提供续流回路，使滤波电感电流Io尽快完成过零，母线电容C2上的电压在此阶段也会因对外输出而存在略微减小的变化。
在该阶段过程中，由于回路1、回路2和回路3的共同作用，最终实现VC1和VC2两端的电压都恢复到Vin/2，实现上下母线电容中点电位DCN平衡，为下一阶段逆变出较好的波形做准备。
该阶段Uo为-Vin/2负电压。
第四阶段：IGBT1和IGBT2关闭、IGBT3和IGBT4导通阶段，上半桥臂对应的母线电容C1上电压，经过功率器件IGBT3和IGBT4，输出-Vin/2负电压，经过滤波电感Lo和滤波电容Co后，提供Vo正弦电压的正半周输出。在这一阶段，母线电容C2上电压会受带载情况的影响而减小，造成母线中点电位不平衡，此时由于变压器TR1各个绕组上电流变化非常小，也可理想认为母线电容中点电压自动均衡电路不参与工作。
第五阶段：IGBT1和IGBT4关闭、IGBT2和IGBT3导通阶段，此时滤波电感上电流Io完成从第四阶段回路到第五阶段切换，并实现Io回路续流，如图4所示。
在回路1中，滤波电感上电流Io经过IGBT3、钳位二极管D1、变压器TR1N1绕组、自身滤波电感Lo和滤波电容Co后，继续为输出Vo提供负半周正弦电流。
在这一阶段，变压器TR1 N1绕组流经电流变化较大，N1绕组上产生的电压也大，根据变压器的多个绕组同名端工作原理，N2和N3绕组上也产生较大电压。
在回路2中，变压器TR1 N3绕组上产生了上正下负的电压VN3，该电压通过叠加VC4上的电压后，实现对母线电容C2充电。
在该阶段过程中，由于变压器TR1 N2绕组上产生了上负下正的电压VN2，由于功率器件IGBT5反并联二极管的阻断作用，因此不参与工作。
第六阶段：IGBT1与IGBT3切换过渡过程中。在该阶段，当滤波电感上电流Io为零时，正常进入到下一阶段。
当滤波电感上电流Io不为零时，会有三条回路产生，如图5所示。
在回路1中，变压器TR1 N1绕组续流，经过钳位二极管D2、IGBT4的寄生电容，给母线电容C2充电。
在回路2中，变压器TR1 N2绕组上感应出上正下负的电压VN2，该电压通过叠加VC3上的电压后，通过IGBT5反并联二极管可以完成对母线电容C1充电。
在回路3中，母线电容C1、IGBT2、IGBT1提供续流回路，使滤波电感电流Io尽快完成过零。母线电容C1上的电压在此阶段也会因对外输出而存在略微减小的变化。
在该阶段过程中，由于回路1、回路2和回路3的共同作用，最终实现VC1和VC2两端的电压都恢复到Vin/2，实现上下母线电容中点电位DCN平衡，为下一阶段逆变出较好的波形做准备。
该阶段Uo为Vin/2正电压。
本发明提出的这种母线电容中点电位自动均衡电路，仅采用五个器件构成，即一个变压器TR1、两颗电容C1和C2、两颗开关器件Q5和Q6，进行合理的设计，无需复杂外围控制电路和控制算法的条件下，在I型三电平逆变装置每一个PWM调制工作周期内，自动完成对母线电容中点电位实时调整，使上下串联的母线电容电压实现自动均衡，确保I型三电平逆变输出波形更加正弦、对称，直流分量更小，机器输出性能更好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，其特征在于，包括：输入软起装置、由母线电容C1和母线电容C2串联的串联支路、自动均衡电路、I型NPC三电平桥臂和输出滤波器；直流输入端连接输入软起装置，所述串联支路并联在直流输入端之间，自动均衡电路连接在直流输入端之间，并与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接，I型NPC三电平桥臂连接在直流输入端之间，并与自动均衡电路连接，输出滤波器与I型NPC三电平桥臂的电压输出端连接，以及与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
自动均衡电路包括功率器件IGBT5、功率器件IGBT6、变压器TR1、电容C3和电容C4，功率器件IGBT5、变压器TR1的N2绕组、电容C3、电容C4、变压器TR1的N3绕组和功率器件IGBT6依次串联后连接在直流输入端之间，其中，功率器件IGBT5与变压器TR1的N2绕组的同名端连接，变压器TR1的N2绕组的另一端连接电容C3，功率器件IGBT6与变压器TR1的N3绕组的同名端连接，变压器TR1的N3绕组的另一端连接电容C4；变压器TR1的N1绕组的同名端连接在电容C3和电容C4的连接点，变压器TR1的N1绕组的另一端与I型NPC三电平桥臂连接，电容C3和电容C4的连接点与母线电容C1和母线电容C2的连接点连接；
其中，功率器件IGBT5和功率器件IGBT6均带有反并联续流二极管。
2.根据权利要求1所述的一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，其特征在于：母线电容C1和母线电容C2电容值等同，电容C3和电容C4电容值等同；电容C3和电容C4的容值，大于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/10且小于或等于母线电容C1和母线电容C2的容值的1/5。
3.根据权利要求1所述的一种变流器中I型三电平母线中点电压自动均衡电路，其特征在于：变压器TR1的N1绕组的电感量小于或等于输出滤波器中滤波电感电感量的1/20。
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