CN112564531A - 一种anpc型三电平逆变器的开关控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，当桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或者小于第二预设阈值时，即输出电流为大电流时，在正半周控制第六开关管常断，第三开关管和第四开关管公共端的电压不会被强制抬升，同理，在负半周控制第五开关管常断，可以避免大电流时因第三开关管对应的二极管和第二开关管对应的二极管管子反向恢复大的损耗以及第五开关管和第六开关管高频开关的损耗，提升电路的使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法。
背景技术
逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。在高压大功率场合的光伏逆变器中通常使用有源中点钳位（Active Neutral-point-clamped，ANPC）型三电平逆变拓扑。图1为现有技术提供的一种ANPC型三电平逆变器主电路拓扑结构示意图。如图1所示，包括第一开关管T1~第六开关管T6、第一二极管D1~第六二极管D6、第一电容C1和第二电容C2，其中：第一开关管T1与第一二极管D1反并联，第二开关管T2与第二二极管D2反并联，第三开关管T3与第三二极管D3反并联，第四开关管T4与第四二极管D4反并联，第五开关管T5与第五二极管D5反并联，第六开关管T6与第六二极管D6反并联，第一开关管T1的第一端接母线正极，第四开关管T4的第二端接母线负极，第一开关管T1的第二端接第二开关管T2、第五开关管T5的第一端，第四开关管T4的第一端接第三开关管T3、第六开关管T6的第二端，第五开关管T5的第二端、第六开关管T6的第一端均接入母线中点，第二开关管T2的第二端、第三开关管T3的第一端连接在一起作为桥臂输出端，第一电容C1连接在母线正极和母线中点之间，第二电容C2连接在母线负极和母线中点之间。
传统的ANPC型三电平逆变器的开关逻辑为：
第一种：在正半周（IL>0），保持第二开关管T2常通，第三开关管T3和第四开关管T4常断，第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，第六开关管T6常通；在负半周（IL<0），保持第三开关管T3常通，第一开关管T1和第二开关管T2常断，第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，第五开关管T5常通。该开关控制方法下的开关逻辑图如图2所示，图2中的IL表示桥臂输出端的输出电流。
第二种：在正半周（IL>0），保持第二开关管T2常通，第三开关管T3和第四开关管T4常断，第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，第五开关管T5和第六开关管T6同开同关；在负半周（IL<0），保持第三开关管T3常通，第一开关管T1和第二开关管T2常断，第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，第五开关管T5和第六开关管T6同开同关。该开关控制方法下的开关逻辑图如图3所示。
但是，开关管的损耗程度与电流大小成正相关，电流越大，开关管的损耗越大。在大电流情况下，第一种方式，正半周期内，假设第三二极管D3的电压大于半母线电压，则第三开关管T3和第四开关管T4公共端的电压小于半母线电压，而C1和C2公共端的电压为半母线电压，因为第六开关管T6常开，第三开关管T3和第四开关管T4公共端的电压会通过第六开关管T6被抬升至半母线电压，而第三二极管D3是常规的硅材料，反向恢复较大，故管子损耗大。同理，在负半周期内，会导致第二二极管D2损耗大。第二种方式，正半周期内，第六开关管T6和第五开关管T5一样高频开关，则第六开关管T6为硬开关，有较大的开关损耗。同理，在负半周期内，第五开关管T5有较大的开关损耗。
鉴于上述现有技术，寻求一种降低开关管损耗的ANPC型三电平逆变器开关控制方法是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，用于降低ANPC型三电平逆变器开关管的损耗，提升电路的使用寿命。
为解决上述技术问题，本申请提供一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，所述ANPC型三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，所述第一开关管的第一端接母线正极，所述第四开关管的第二端接母线负极，所述第一开关管的第二端接所述第二开关管、所述第五开关管的第一端，所述第四开关管的第一端接所述第三开关管、所述第六开关管的第二端，所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端均接入母线中点，所述第二开关管的第二端、所述第三开关管的第一端连接在一起作为桥臂输出端，所述开关控制方法包括：
当所述桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管常断；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管常断；
其中，所述第一预设阈值大于零，所述第二预设阈值小于零。
优选地，还包括：
当所述输出电流值小于所述第一预设阈值且大于所述第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管常开；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管常开。
优选地，还包括：
当所述输出电流值小于所述第一预设阈值且大于所述第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管与所述第五开关管同开同关；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管与所述第六开关管同开同关。
优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。
优选地，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管。
优选地，还包括：
获取电压比较单元发送的所述输出电流值大于所述第一预设阈值或小于所述第二预设阈值时的过流信号。
优选地，所述输出电流值通过连接在所述桥臂输出端的电流传感器检测。
本申请所提供的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，当桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或者小于第二预设阈值时，即输出电流为大电流时，在正半周控制第六开关管常断，第三开关管和第四开关管公共端的电压不会被强制抬升，同理，在负半周控制第五开关管常断，可以避免大电流时因第三开关管对应的二极管和第二开关管对应的二极管管子反向恢复大的损耗以及第五开关管和第六开关管高频开关的损耗，提升电路的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种ANPC型三电平逆变器主电路拓扑结构示意图；
图2为现有技术提供的一种开关控制方法下的开关逻辑图；
图3为现有技术提供的另一种开关控制方法下的开关逻辑图；
图4为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法下的开关逻辑图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。
本申请的核心是提供一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，用于降低ANPC型三电平逆变器开关管的损耗，提升电路的使用寿命。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。
需要说明的是，本实施例是在传统的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法的基础上进行改进得到的，为了更清楚的描述本实施例所述的技术方案，下面从分析传统ANPC型三电平逆变器的开关控制方法的工作原理及存在的问题入手，对本实施例的工作原理进行说明。
如图1所示，ANPC型三电平逆变器包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6，第一开关管T1的第一端接母线正极，第四开关管T4的第二端接母线负极，第一开关管T1的第二端接第二开关管T2、第五开关管T5的第一端，第四开关管T4的第一端接第三开关管T3、第六开关管T6的第二端，第五开关管T5的第二端、第六开关管T6的第一端均接入母线中点，第二开关管T2的第二端、第三开关管T3的第一端连接在一起作为桥臂输出端。
需要说明的是，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。可以理解的是，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6可以是带有体二极管的场效应管或者绝缘栅双极型晶体管，也可以是一个开关管加一个与其反并联的二极管的形式。
具体地，ANPC型三电平逆变器还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电容C1和第二电容C2，其中：第一开关管T1与第一二极管D1反并联，第二开关管T2与第二二极管D2反并联，第三开关管T3与第三二极管D3反并联，第四开关管T4与第四二极管D4反并联，第五开关管T5与第五二极管D5反并联，第六开关管T6与第六二极管D6反并联，第一电容C1连接在母线正极和母线中点之间，第二电容C2连接在母线负极和母线中点之间。
图4为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法的流程图。如图4所示，该方法包括：
当桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时：
S10：在正半周，保持第二开关管T2常通，第三开关管T3和第四开关管T4常断，第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，控制第六开关管T6常断。
S11：在负半周，保持第三开关管T3常通，第一开关管T1和第二开关管T2常断，第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，控制第五开关管T5常断。
其中，第一预设阈值大于零，第二预设阈值小于零。
如图1所示，当第六开关管T6常开时，第三开关管T3和第四开关管T4公共端的电压等于母线中点的电压，若母线电压为1500V，则桥臂输出端的电压为1500V，假设第三二极管D3的电压为900V，则第三开关管T3和第四开关管T4公共端的电压为600V，而C1和C2公共端的电压为750V，因为第六开关管T6常开，第三开关管T3和第四开关管T4公共端的电压会通过第六开关管T6被抬升至750V，当输出电流值较大时，第三二极管D3的反向恢复大，故管子损耗很大。基于此，图5为本申请实施例提供的一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法下的开关逻辑图，如图5所示，输出电流值的波形为正弦波，在正半周，输出电流值大于零，在负半周，输出电流值小于零，本申请的目的是在输出电流为大电流时，控制单元在正半周控制第五开关管T5常断，在负半周控制第六开关管T6常断。需要说明的是，本申请对于第一预设阈值或第二预设阈值的具体数值不作限定，在不同的实际应用场景中，设定的第一预设阈值或第二预设阈值不同。
在具体实施中，在正半周，输出电流值从零开始增大，当增大到t1时刻时，输出电流值等于第一预设阈值，此时控制第六开关管T6常断，t2时刻时，输出电流值刚好减小到第一预设阈值，此时控制第六开关管T6接通。在负半周，输出电流值从零开始增大，方向与正半周相反，当增大到t3时刻，输出电流值等于第二预设阈值，此时控制第五开关管T5常断，t4时刻时，输出电流值刚好减小到第二预设阈值，此时控制第五开关管T5接通。
本申请所提供的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，当桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或者小于第二预设阈值时，即输出电流为大电流时，在正半周控制第六开关管常断，第三开关管和第四开关管公共端的电压不会被强制抬升，同理，在负半周控制第五开关管常断，可以避免大电流时因第三开关管对应的二极管和第二开关管对应的二极管管子反向恢复大的损耗以及第五开关管和第六开关管高频开关的损耗，提升电路的使用寿命。
在具体实施中，正半周期内，若保持第六开关管T6常断，在小电流情况下，由于电流纹波波动，输出电流的尖峰会过零，出现负电流，导致第三开关管T3过压损坏。同理，在负半周期内，会导致第二开关管T2过压损坏。基于此，如图5所示，当输出电流值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值时：
在正半周，保持第二开关管T2常通，第三开关管T3和第四开关管T4常断，第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，控制第六开关管T6常开；
在负半周，保持第三开关管T3常通，第一开关管T1和第二开关管T2常断，第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，控制第五开关管T5常开。
作为另一种优选地实施例，当输出电流值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值时：
在正半周，保持第二开关管T2常通，第三开关管T3和第四开关管T4常断，第一开关管T1和第五开关管T5互补导通，控制第六开关管T6与第五开关管T5同开同关；
在负半周，保持第三开关管T3常通，第一开关管T1和第二开关管T2常断，第四开关管T4和第六开关管T6互补导通，控制第五开关管T5与第六开关管T6同开同关。
本实施例所提供的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，当桥臂输出端的输出电流值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值时，即输出电流为小电流时，在正半周控制第六开关管常开或者与第五开关管同开同关，在负半周控制第五开关管常开或者与第六开关管同开同关，可以避免小电流时因电流纹波波动，导致第三开关管和第二开关管过压损坏，提升电路的使用寿命。
进一步地，本申请中的第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和第六开关管T6为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管，提高了电路的集成度。
在上述实施例的基础上，作为一种优选地实施例，还包括：
获取电压比较单元发送的输出电流值大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时的过流信号。
具体地，输出电流值通过连接在桥臂输出端的电流传感器检测。
在具体实施中，由ANPC三电平逆变器正常工作，输出电流送到采样单元，即电流传感器，电流传感器将送入的电流信号进行处理，以电压信号的形式送入电压比较单元，电压比较单元将该电压信号与其内部设定的基准电压K进行比较，并将比较的结果以过流信号En的形式，送到控制单元，控制单元接收到En信号后，将其反馈到控制环，形成新的PWM信号，再将新生成的PWM信号送至三电平逆变器。循环检测逆变输出电流值，实时控制。
进一步地，还包括在电压转换过程中，用于将模拟信号转换为数字信号的ADC，此部分为本领域技术人员熟知，本申请不再赘述。
以上对本申请所提供的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (7)
1.一种ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，所述ANPC型三电平逆变器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，所述第一开关管的第一端接母线正极，所述第四开关管的第二端接母线负极，所述第一开关管的第二端接所述第二开关管、所述第五开关管的第一端，所述第四开关管的第一端接所述第三开关管、所述第六开关管的第二端，所述第五开关管的第二端、所述第六开关管的第一端均接入母线中点，所述第二开关管的第二端、所述第三开关管的第一端连接在一起作为桥臂输出端，其特征在于，所述开关控制方法包括：
当所述桥臂输出端的输出电流值大于第一预设阈值或小于第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管常断；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管常断；
其中，所述第一预设阈值大于零，所述第二预设阈值小于零。
2.如权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，还包括：
当所述输出电流值小于所述第一预设阈值且大于所述第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管常开；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管常开。
3.如权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，还包括：
当所述输出电流值小于所述第一预设阈值且大于所述第二预设阈值时：
在正半周，保持所述第二开关管常通，所述第三开关管和所述第四开关管常断，所述第一开关管和所述第五开关管互补导通，控制所述第六开关管与所述第五开关管同开同关；
在负半周，保持所述第三开关管常通，所述第一开关管和所述第二开关管常断，所述第四开关管和所述第六开关管互补导通，控制所述第五开关管与所述第六开关管同开同关。
4.如权利要求2或3所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为场效应管和绝缘栅双极型晶体管中的一种。
5.如权利要求4所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管和所述第六开关管为自带体二极管的绝缘栅双极型晶体管。
6.如权利要求1所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，还包括：
获取电压比较单元发送的所述输出电流值大于所述第一预设阈值或小于所述第二预设阈值时的过流信号。
7.如权利要求6所述的ANPC型三电平逆变器的开关控制方法，其特征在于，所述输出电流值通过连接在所述桥臂输出端的电流传感器检测。
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Denomination of invention: A switch control method for ANPC type three-level inverter Granted publication date: 20210507 Pledgee: Zhejiang Hangzhou Yuhang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Science and Technology City Branch Pledgor: ZHEJIANG HRV ELECTRIC Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009884 |
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