CN113395003A - 多电平有源中点钳位逆变器串联igbt均压电路 - Google Patents

多电平有源中点钳位逆变器串联igbt均压电路 Download PDF

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CN113395003A CN202110311386.8A CN202110311386A CN113395003A CN 113395003 A CN113395003 A CN 113395003A CN 202110311386 A CN202110311386 A CN 202110311386A CN 113395003 A CN113395003 A CN 113395003A
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Abstract

本发明属于多电平有源中点钳位逆变器技术，具体涉及一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S4、开关管S3、开关管S3、开关管S4、开关管S2、开关管S1；开关管S4的集电极和开关管S4的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管S6、开关管S5。对于有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂，采用单输入、双输出隔离电源生成串联IGBT的钳位电压，变换器输入输出变比为4:1:1，增加钳位电压之后，串联运行的IGBT可以实现动静态均压。

Description

多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路
技术领域
本发明属于多电平有源中点钳位逆变器技术领域，具体涉及一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路。
背景技术
在高压变频驱动和高压变配电领域，逆变器直流母线电压不断提高，尤其是在高铁电力牵引和舰船电力推进领域，高压逆变器有着强烈的应用需求。受限于功率器件电压等级的限制，采用传统两电平逆变电路已经无法满足需求；而二极管钳位型或电容钳位型多电平逆变器更适合在三电平工况下应用，在更多电平工况下，电路拓扑结构会异常复杂；对于H桥级联型多电平变频器，每个H桥都需要独立的直流电源供电，需要配置笨重的移相变压器和整流桥；对于MMC型逆变器，在低速变频驱动工况下存在子模块电压波动较大的问题。
有源中点钳位型(ANPC)拓扑结构弥补了二极管钳位型和电容钳位型多电平拓扑结构的不足，ANPC的三电平、五电平和七电平拓扑均只有一个母线中点，而且其中的多数开关器件的开关频率和输出基频保持一致，只有少部分器件工作在高频开关状态。既有利于简化控制算法，也有利于降低整个装置的总体损耗，提高装置变换效率。由此可见，多电平有源中点钳位逆变器在未来高压电力电子变换器领域具有广阔的应用前景。在有源中点钳位五电平、七电平和更高电平拓扑结构中，存在多个IGBT串联使用的问题。串联使用的多个IGBT需要同时导通和关断，对驱动脉冲的一致性要求非常高。串联使用的 IGBT器件本身也需要具有非常高的一致性，器件本身特性的微小差异，会引起串联使用的IGBT电压应力不均衡，进而会影响IGBT的使用寿命，严重情况下会直接造成IGBT过压击穿。由此可见，串联使用的IGBT是多电平有源中点钳位逆变器的一个薄弱点。
为了解决多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT的均压问题，通常做法是采用RC(电阻和电容的组合)均压缓冲电路或者RCD(电阻、电容和二极管的组合)均压缓冲电路。如果采用RCD缓冲电路，需要在每个IGBT上均并联RCD缓冲电路。以有源中点钳位五电平拓扑为例，在每个桥臂上需要8个RCD缓冲电路。如果是有源中点钳位七电平拓扑，则每个桥臂需要12个RCD缓冲电路。这不但带来较大的成本压力，而且结构布局设置也会面临一定的困难。RCD缓冲电路还会带来一定的额外损耗，影响IGBT的开关动态过程。RCD缓冲电路在动态均压方面的效果也不够理想。
综上所述，在高压变频驱动和高压变配电领域，逆变器直流母线电压不断提高，尤其是在高铁电力牵引和舰船电力推进领域，高压逆变器有着强烈的应用需求。多电平有源中点钳位逆变器在未来高压电力电子变换器领域具有广阔的应用前景。串联使用的IGBT是多电平有源中点钳位逆变器的一个薄弱点。用于IGBT均压的传统RCD缓冲电路一方面会带来较大的成本压力和结构布局设置的困难，另一方面还会带来一定的额外损耗，影响IGBT的开关动态过程。RCD缓冲电路在动态均压方面的效果也不够理想。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，简单可靠，而且具有优良的动静态均压效果。
本发明采用的技术方案是：一种多电平有源中点钳位逆变器串联 IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管
Figure RE-GDA0003212688480000021
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000022
开关管S3、开关管S4、开关管
Figure RE-GDA0003212688480000023
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000024
开关管 S4的集电极和开关管
Figure RE-GDA0003212688480000025
的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管
Figure RE-GDA0003212688480000026
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000027
电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管
Figure RE-GDA0003212688480000028
的发射极电连接于电容Cup和Cdn之间之间；开关管
Figure RE-GDA0003212688480000029
的发射极和开关管S6的集电极极之间并联有电容Cf；电源端和变换器输入均为直流母线电压4E，变换器的两个输出端口为Vs1和Vs2，两个输出端口的电压均为E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S1的发射极和开关管S2的集电极之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管
Figure RE-GDA0003212688480000031
的发射极和开关管
Figure RE-GDA0003212688480000032
的集电极之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管S3的发射极和开关管S4的集电极之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管
Figure RE-GDA0003212688480000033
集电极开关管
Figure RE-GDA0003212688480000034
发射极之间。
上述技术方案中，所述变换器为单输入、双输出的直流变换器或两个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。
上述技术方案中，变换器输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系
本发明提供了一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管
Figure RE-GDA0003212688480000035
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000036
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000037
开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管
Figure RE-GDA0003212688480000038
开关管
Figure RE-GDA0003212688480000039
开关管
Figure RE-GDA00032126884800000310
开关管
Figure RE-GDA00032126884800000311
的集电极和开关管S6的发射极之间并联有依次串联的开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管
Figure RE-GDA00032126884800000312
开关管
Figure RE-GDA00032126884800000313
开关管
Figure RE-GDA00032126884800000314
电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管
Figure RE-GDA00032126884800000315
的发射极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管
Figure RE-GDA00032126884800000316
的发射极和开关管S9的集电极之间连接有电容Cf1；开关管
Figure RE-GDA00032126884800000317
的发射极和开关管S8的集电极之间连接有电容Cf2；电源端和变换器输入为直流母线电压6E，变换器的4个输出端口为Vs1、 Vs2、Vs3和Vs4，输出端口Vs1和Vs2的电压均为E，输出端口Vs3 和Vs4的电压均为2E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S2发射极和开关管S3集电极的之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管
Figure RE-GDA00032126884800000318
发射极和开关管
Figure RE-GDA00032126884800000319
集电极的之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管 S5发射极和开关管S6集电极的之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管
Figure RE-GDA00032126884800000320
发射极和开关管
Figure RE-GDA00032126884800000321
集电极的之间；输出端口Vs3的正极连接在开关管S1发射极和开关管S2集电极的之间，输出端口Vs3的负极连接在开关管
Figure RE-GDA00032126884800000322
发射极和开关管
Figure RE-GDA00032126884800000323
集电极的之间；输出端口Vs4 的正极连接在开关管S4发射极和开关管S5集电极的之间，输出端口 Vs4的负极连接在开关管
Figure RE-GDA0003212688480000041
发射极和开关管
Figure RE-GDA0003212688480000042
集电极的之间。
上述技术方案中，所述变换器为单输入、四输出的直流变换器或 4个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。
上述技术方案中，变换器输入端口和4个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。
上述技术方案中，对于九电平及以上电平数的有源中点钳位逆变器的单个桥臂，有源中点钳位逆变器的电平数为N，其中N为奇数，直流母线电压为(N-1)*E，用于生成钳位电压的直流变换器需要N-3 路独立的输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类推， 2个最高输出的电压为((N-1)/2-1)*E；将这N-3个电压端口跨接到串联运行的IGBT上用于电压钳位；实现(N-1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。
上述技术方案中，所述的串联IGBT均压方法构成的桥臂，进一步组合成多相有源中点钳位逆变器且相数大于等于2。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
对于有源中点钳位五电平逆变器，以S1、S2、S3、S4关断，电流换流到
Figure RE-GDA0003212688480000043
为例进行分析。当S1、S2关断后，电流换流到
Figure RE-GDA0003212688480000044
和
Figure RE-GDA0003212688480000045
所在的支路，由于换流后
Figure RE-GDA0003212688480000046
是导通的，因此开关管S1承受的电压应力为(2E-Vs1＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA0003212688480000047
是导通的，因此开关管S2承受的电压应力为Vs1＝E。当S3、S4关断后，电流换流到
Figure RE-GDA0003212688480000048
和
Figure RE-GDA0003212688480000049
所在的支路，由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000410
是导通的，因此开关管S3承受的电压应力为(2E-Vs2＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000411
是导通的，因此开关管S4承受的电压应力为Vs2＝E。
对于有源中点钳位七电平逆变器，以S1、S2、S3、S4、S5、S6关断，电流换流到
Figure RE-GDA00032126884800000412
为例进行分析。当S1、S2、S3关断后，电流换流到
Figure RE-GDA00032126884800000413
和
Figure RE-GDA00032126884800000414
所在的支路，由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000415
是导通的，因此开关管S1承受的电压应力为(3E-Vs3＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000416
是导通的，因此开关管S2承受的电压应力为(Vs3-Vs1＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000417
是导通的，因此开关管S2承受的电压应力为Vs1＝E。当S4、S5、S6关断后，电流换流到
Figure RE-GDA00032126884800000418
和
Figure RE-GDA00032126884800000419
所在的支路，由于换流后
Figure RE-GDA00032126884800000420
是导通的，因此开关管S4承受的电压应力为(3E-Vs4＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA0003212688480000051
是导通的，因此开关管S5承受的电压应力为(Vs4-Vs2＝E)；由于换流后
Figure RE-GDA0003212688480000052
是导通的，因此开关管S6承受的电压应力为Vs2＝E。
本发明取消了RCD缓冲电路，减少额外损耗的同时降低成本，且合理优化了电路布局。本发明通过合理的电路设置有效实现各个开关管的均压。
附图说明
图1有源中点钳位五电平逆变器单个桥臂串联IGBT均压电路
图2有源中点钳位七电平逆变器单个桥臂串联IGBT均压电路
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
对于有源中点钳位五电平逆变器，IGBT串联均压方法如图1所示，采用一个单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)，变换器输入为直流母线电压4E，变换器的两个输出端口为 Vs1和Vs2，两个输出端口的电压均为E。如图1所示，将Vs1端口的正极连接在S1开关管和S2开关管的中点位置，将Vs1端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000053
和
Figure RE-GDA0003212688480000054
的中点位置。将Vs2端口的正极连接在S3开关管和S4开关管的中点位置，将Vs2端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000055
和
Figure RE-GDA0003212688480000056
的中点位置。
图1中的单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)各个端口之间都是电气隔离的，输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系。即保持Vs1端口电压和Vs2端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为4E)的四分之一。
对于有源中点钳位七电平逆变器，IGBT串联均压方法如图2所示，采用一个单输入、四输出的直流变换器(也可以是四个独立的变换器)，变换器输入为直流母线电压6E，变换器的四个输出端口为Vs1、Vs2、Vs3和Vs4，Vs1和Vs2两个输出端口的电压均为E，Vs3 和Vs4两个输出端口的电压均为2E。如图2所示，将Vs1端口的正极连接在S2开关管和S3开关管的中点位置，将Vs1端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000061
和
Figure RE-GDA0003212688480000062
的中点位置。将Vs2端口的正极连接在S5开关管和S6开关管的中点位置，将Vs2端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000063
和
Figure RE-GDA0003212688480000064
的中点位置。将Vs3端口的正极连接在S1开关管和S2开关管的中点位置，将Vs3端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000065
和
Figure RE-GDA0003212688480000066
的中点位置。将Vs4端口的正极连接在S4开关管和S5开关管的中点位置，将Vs4端口的负极连接在
Figure RE-GDA0003212688480000067
和
Figure RE-GDA0003212688480000068
的中点位置。
图2中的单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)各个端口之间都是电气隔离的，输入端口和两个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。即保持Vs1端口电压和Vs2端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为6E)的六分之一，保持Vs3端口电压和Vs4端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为 6E)的三分之一。
本发明还适用于有源中点钳位九电平逆变器和有源中点钳位十一电平逆变器，以及更多电平等级的有源中点钳位逆变器。假设有源中点钳位逆变器的电平数为N(N为奇数)，则设直流母线电压为 (N-1)*E，则用于生成钳位电压的直流变换器需要N-3路独立的输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类推，2个最高输出的电压为((N-1)/2-1)*E。将这N-3个电压端口按照图1和图2所示的规则，连接到有源中点钳位N电平逆变器单相桥臂中去。实现 (N-1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管
Figure FDA0002989873920000011
开关管
Figure FDA0002989873920000012
开关管S3、开关管S4、开关管
Figure FDA0002989873920000013
开关管
Figure FDA0002989873920000014
开关管
Figure FDA0002989873920000015
的集电极和开关管S4的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管
Figure FDA0002989873920000016
开关管
Figure FDA0002989873920000017
电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管
Figure FDA0002989873920000018
的发射极和开关管S3的集电极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管
Figure FDA0002989873920000019
的发射极和开关管S6的集电极极之间并联有电容Cf；电源端和变换器输入为直流母线电压4E，变换器的两个输出端口为Vs1和Vs2，端口输出电压均为E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S1的发射极和开关管S2的集电极之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管
Figure FDA00029898739200000110
的集电极和开关管
Figure FDA00029898739200000111
的发射极之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管S3发射极和开关管S4集电极之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管
Figure FDA00029898739200000112
的集电极和开关管
Figure FDA00029898739200000113
的发射极之间。
2.根据权利要求1所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述变换器为单输入、双输出的直流变换器或两个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。
3.根据权利要求1所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：变换器输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系。
4.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管
Figure FDA00029898739200000114
开关管
Figure FDA00029898739200000115
开关管
Figure FDA00029898739200000116
开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管
Figure FDA00029898739200000117
开关管
Figure FDA00029898739200000118
开关管
Figure FDA00029898739200000119
开关管
Figure FDA00029898739200000120
的集电极和开关管S6的发射极之间并联有依次串联的开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管
Figure FDA0002989873920000021
开关管
Figure FDA0002989873920000022
开关管
Figure FDA0002989873920000023
电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管
Figure FDA0002989873920000024
的发射极和开关管S4的集电极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管
Figure FDA0002989873920000025
的发射极和开关管S9的集电极极之间连接有电容Cf1；开关管
Figure FDA0002989873920000026
的发射极和开关管S8的集电极极之间连接有电容Cf2；电源端和变换器输入均为直流母线电压6E，变换器的4个输出端口为Vs1、Vs2、Vs3和Vs4，输出端口Vs1和Vs2的电压均为E，输出端口Vs3和Vs4的电压均为2E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S2发射极和开关管S3集电极的之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管
Figure FDA0002989873920000027
发射极和开关管
Figure FDA0002989873920000028
集电极的之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管S5发射极和开关管S6集电极的之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管
Figure FDA0002989873920000029
发射极和开关管
Figure FDA00029898739200000210
集电极的之间；输出端口Vs3的正极连接在开关管S1发射极和开关管S2集电极的之间，输出端口Vs3的负极连接在开关管
Figure FDA00029898739200000211
发射极和开关管
Figure FDA00029898739200000212
集电极的之间；输出端口Vs4的正极连接在开关管S4发射极和开关管S5集电极的之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管
Figure FDA00029898739200000213
发射极和开关管
Figure FDA00029898739200000214
集电极的之间。
5.根据权利要求3所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述变换器为单输入、四输出的直流变换器或4个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。
6.根据权利要求4所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：变换器输入端口和4个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。
7.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：对于九电平及以上电平数的有源中点钳位逆变器的单个桥臂，有源中点钳位逆变器的电平数为N，其中N为奇数，直流母线电压为(N-1)*E，用于生成钳位电压的直流变换器需要N-3路独立的输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类推，2个最高输出的电压为((N-1)/2-1)*E；将这N-3个电压端口跨接到串联运行的IGBT上用于电压钳位；实现(N-1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。
8.根据权利要求1或4或7中任一项所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述的串联IGBT均压方法构成的桥臂，进一步组合成多相有源中点钳位逆变器且相数大于等于2。
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