CN113992047B - 三电平电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种三电平电路及其控制方法，所述三电平电路包括第一至第六逆导型IGBT组成的有源中性点钳位三电平电路；其中第一逆导型IGBT和第四逆导型IGBT为所述三电平电路的外管，第二逆导型IGBT和第三逆导型IGBT为所述三电平电路的内管，第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT为所述三电平电路的钳位管；所述方法包括：采用单极性和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。本申请可以减小IGBT的结温波动，延长IGBT的使用寿命，提高IGBT的利用率。
Description
技术领域
本申请涉及变流器技术领域，尤其涉及一种三电平电路及其控制方法。
背景技术
在风电变流器领域，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)得到广泛应用，但是由于风电变流器的机侧和网侧均为感性负载，为了防止过电压，需要IGBT并联一个续流二极管给电流提供续流回路，其中逆导型IGBT实现了在IGBT内部并联续流二极管。
近年来，三电平NPC型变流器开始迅猛发展，三电平NPC型变流器可以提高系统电压等级，对谐波、损耗均有益处。应用于三电平NPC型变流器的调制策略普遍为单极性发波方式，在该调制策略下，谐波特性可以达到最优，且IGBT和二极管仅在参考电压的半个周期存在导通损耗和开关损耗，IGBT和二极管的等效开关频率为载波频率的一半。但是当变流器的机侧采用直驱低频电机时，一方面会导致母线电压低频波动很大，另一方面会导致IGBT和二极管的结温波动很大，进而直接导致IGBT和二极管的寿命锐减。
为了解决低频电机时，IGBT和二极管的结温波动大问题。现有技术通过增加IGBT和二极管的并联数量来减小单个IGBT和二极管的运行电流，进而减小IGBT和二极管的结温波动，以满足降额要求。但是该方法是通过牺牲IGBT的利用率来适应结温波动的要求，变流器功率密度和单位功率成本较高。
发明内容
本申请提供一种三电平电路及其控制方法，以减小IGBT的结温波动，延长IGBT寿命，提高IGBT的利用率。
本申请一方面，提供一种三电平电路的控制方法，所述三电平电路包括第一至第六逆导型IGBT组成的有源中性点钳位三电平电路；
其中第一逆导型IGBT和第四逆导型IGBT为所述三电平电路的外管，第二逆导型IGBT和第三逆导型IGBT为所述三电平电路的内管，第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT为所述三电平电路的钳位管；
该电路具有三种输出电平状态：正电平状态、零电平状态以及负电平状态；
在正电平状态下，第一、第二以及第六逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
在零电平状态下，第二、第三、第五以及第六逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
在负电平状态下，第三、第四以及第五逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
所述方法包括：
采用单极性和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。
本申请另一方面，提供一种三电平电路，所述三电平电路包括第一至第六逆导型IGBT组成的有源中性点钳位三电平电路；
其中第一逆导型IGBT和第四逆导型IGBT为所述三电平电路的外管，第二逆导型IGBT和第三逆导型IGBT为所述三电平电路的内管，第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT为所述三电平电路的钳位管；
该电路具有三种输出电平状态：正电平状态、零电平状态以及负电平状态；
在正电平状态下，第一、第二以及第六逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
在零电平状态下，第二、第三、第五以及第六逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
在负电平状态下，第三、第四以及第五逆导型IGBT处于导通状态，其它逆导型IGBT处于截止状态；
所述三电平电路还包括控制器，所述控制器被配置为采用单极性和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。
本申请提供的三电平电路及其控制方法，通过采用单极性和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换；可以减小IGBT的结温波动，延长IGBT的使用寿命，提高IGBT的利用率。
附图说明
图1为本申请实施例提供的三电平电路示意图；
图2为本申请实施例提供的三电平电路输出正电平状态示意图；
图3为本申请实施例提供的三电平电路输出零电平状态示意图；
图4为本申请实施例提供的三电平电路输出负电平状态示意图；
图5为本申请实施例提供的单极性和双极性混合发波方式示意图；
图6为本申请实施例提供的载波交叠方法示意图；
图7为本申请实施例提供的双调制波方法示意图；
图8为本申请实施例提供的单极性发波方式下逆导型IGBT结温波动核算结果示意图；
图9为本申请实施例提供的双极性发波方式下逆导型IGBT结温波动核算结果示意图。
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。
图1为本申请实施例提供的三电平电路示意图。
如图1所示，三电平电路包括第一至第六逆导型IGBT(图中T1～T6所示)组成的有源中性点钳位三电平电路；其中T1和T4为所述三电平电路的外管，T2和T3为所述三电平电路的内管，T5和T6为所述三电平电路的钳位管。Vdc为直流母线电容。
三电平电路具有三种输出电平状态：正电平状态、零电平状态以及负电平状态；
如图2所示，在正电平状态下，T1、T2以及T6处于导通状态，其它逆导型IGBT(图中灰色的T3、T4、T5)处于截止状态。
如图3所示，在零电平状态下，T2、T3、T5以及T6处于导通状态，其它逆导型IGBT(图中灰色的T1、T4)处于截止状态。
如图4所示，在负电平状态下，T3、T4以及T5处于导通状态，其它逆导型IGBT(图中灰色的T1、T2、T6)处于截止状态。
所述三电平电路还包括控制器(附图未示出)，所述控制器被配置为采用单极性和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。单极性和双极性混合发波方式可参考图5所示。
在本示例中，所述单极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态与零电平状态之间的切换、或者零电平状态与负电平状态之间的切换。
在本示例中，所述双极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。
如图6所示，在一优选的实施中，采用载波交叠方法实现单极性和双极性混合发波方式。
具体地，当第一调制波大于第一三角载波和第二三角载波时，输出正电平状态；
当第一调制波小于第一三角载波、且第一调制波大于第二三角载波时，输出零电平状态；
当第一调制波小于第一三角载波和第二三角载波时，输出负电平状态；
其中，所述第一三角载波和所述第二三角载波的幅值相等(图中的Vc1所示)；所述第一三角载波的上升沿对应第二三角载波的上升沿，所述第一三角载波的下降沿对应第二三角载波的下降沿；所述第一三角载波的最小值小于所述第二三角载波的最大值；所述第一调制波的最大值与所述第一三角载波的最大值的差值等于所述第二三角载波的最小值与所述第一调制波的最小值的差值；所述第一三角载波的最大值大于所述第一调制波的最大值。
所述第一调制波由第一参考电压、所述第一三角载波或者所述第二三角载波的幅值、以及第二三角载波的最大值与第一三角载波的最小值的差值计算得到。
1)当vm’>Y/Vc1时，vm1＝Vc1*vm’-Y/2；
2)当-Y/Vc1≦vm’≦Y/Vc1时，vm1＝(Vc1/2)*vm’；
3)当vm’<-Y/Vc1时，vm1＝Vc1*vm’+Y/2；
其中，vm’为第一参考电压，Y为第二三角载波的最大值与第一三角载波的最小值的差值，vm1为第一调制波。
如图7所示，在另一优选的实施中，采用双调制波方法实现单极性和双极性混合发波方式。
具体地，当第二调制波和第三调制波大于第三三角载波时，输出正电平状态；
当第二调制波小于第三三角载波、且第三调制波大于第三三角载波时，输出零电平状态；
当第二调制波和第三调制波均小于第三三角载波时，输出负电平状态；
其中，所述第三三角载波的最大值与所述第三调制波的最大值的差值等于所述第二调制波的最小值与所述第三三角载波的最小值的差值。
所述第二调制波和所述第三调制波通过以下方式得到：
当X>1-vm时，vm2＝vm，vm3＝1；
当X>1+vm时，vm2＝0，vm3＝vm+1；
当X<＝1-vm且X<＝1+vm时，vm2＝(vm-X+1)/2，vm3＝(vm+X+1)/2；
其中，X为在双极性发波时的第三调制波与第二调制波的差值，vm为标幺后的第二参考电压，vm2为第二调制波，vm3为第三调制波。
图8为本申请实施例提供的单极性发波方式下逆导型IGBT结温波动核算结果示意图；图9为本申请实施例提供的双极性发波方式下逆导型IGBT结温波动核算结果示意图。对比两种发波方式下的核算结果可知，采用单极性和双极性混合发波方式，可以有效减小逆导型IGBT处于外管的结温波动，按核算结果可以将结温波动由29.2℃降低至23.5℃，同时可以保持内管和外管结温的大致均衡。
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 (8)
1.一种三电平电路的控制方法，所述三电平电路包括第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT、第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT、第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT组成的有源中性点钳位三电平电路；
其中，第一逆导型IGBT和第四逆导型IGBT为所述三电平电路的外管，第二逆导型IGBT和第三逆导型IGBT为所述三电平电路的内管，第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT为所述三电平电路的钳位管；
该三电平电路具有三种输出电平状态：正电平状态、零电平状态以及负电平状态；
在正电平状态下，第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于导通状态，第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT以及第五逆导型IGBT处于截止状态；
在零电平状态下，第二逆导型IGBT、第三逆导型IGBT、第五逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于导通状态，第一逆导型IGBT以及第四逆导型IGBT处于截止状态；
在负电平状态下，第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT以及第五逆导型IGBT处于导通状态，第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于截止状态；
其特征在于，所述方法包括：
采用单极性发波方式和双极性混合发波方式控制第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT、第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT、第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换；
所述单极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态与零电平状态之间的切换或者零电平状态与负电平状态之间的切换；
所述双极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用载波交叠方法实现单极性发波方式和双极性混合发波方式。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用载波交叠方法实现单极性发波方式和双极性混合发波方式，包括：
当第一调制波均大于第一三角载波和第二三角载波时，输出正电平状态；
当第一调制波小于第一三角载波且第一调制波大于第二三角载波时，输出零电平状态；
当第一调制波均小于第一三角载波和第二三角载波时，输出负电平状态；
其中，所述第一三角载波的幅值和所述第二三角载波的幅值相等；所述第一三角载波的上升沿对应第二三角载波的上升沿，所述第一三角载波的下降沿对应第二三角载波的下降沿；所述第一三角载波的最小值小于所述第二三角载波的最大值；所述第一调制波的最大值与所述第一三角载波的最大值的差值等于所述第二三角载波的最小值与所述第一调制波的最小值的差值；所述第一三角载波的最大值大于所述第一调制波的最大值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一调制波由第一参考电压、所述第一三角载波或者所述第二三角载波的幅值、第二三角载波的最大值与第一三角载波的最小值的差值，计算得到。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用双调制波方法实现单极性发波方式和双极性混合发波方式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用双调制波方法实现单极性发波方式和双极性混合发波方式，包括：
当第二调制波和第三调制波均大于第三三角载波时，输出正电平状态；
当第二调制波小于第三三角载波且第三调制波大于第三三角载波时，输出零电平状态；
当第二调制波和第三调制波均小于第三三角载波时，输出负电平状态；
其中，所述第三三角载波的最大值与所述第三调制波的最大值的差值等于所述第二调制波的最小值与所述第三三角载波的最小值的差值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二调制波和所述第三调制波通过以下方式得到：
当X>1-vm时，vm2＝vm，vm3＝1；
当X>1+vm时，vm2＝0，vm3＝vm+1；
当X≤1-vm且X≤1+vm时，vm2＝(vm-X+1)/2，vm3＝(vm+X+1)/2；
其中，X为在所述双极性混合发波方式时的第三调制波与第二调制波的差值，vm为标幺后的第二参考电压，vm2为第二调制波，vm3为第三调制波。
8.一种三电平电路，其特征在于，所述三电平电路包括第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT、第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT、第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT组成的有源中性点钳位三电平电路；
其中，第一逆导型IGBT和第四逆导型IGBT为所述三电平电路的外管，第二逆导型IGBT和第三逆导型IGBT为所述三电平电路的内管，第五逆导型IGBT和第六逆导型IGBT为所述三电平电路的钳位管；
该三电平电路具有三种输出电平状态：正电平状态、零电平状态以及负电平状态；
在正电平状态下，第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于导通状态，第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT以及第五逆导型IGBT处于截止状态；
在零电平状态下，第二逆导型IGBT、第三逆导型IGBT、第五逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于导通状态，第一逆导型IGBT以及第四逆导型IGBT处于截止状态；
在负电平状态下，第三逆导型IGBT、第四逆导型IGBT以及第五逆导型IGBT处于导通状态，第一逆导型IGBT、第二逆导型IGBT以及第六逆导型IGBT处于截止状态；
所述三电平电路还包括控制器，所述控制器被配置为采用单极性发波方式和双极性混合发波方式控制第一至第六逆导型IGBT，以实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换；
所述单极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态与零电平状态之间的切换或者零电平状态与负电平状态之间的切换；
所述双极性发波方式包括在一个载波周期内，实现正电平状态、零电平状态以及负电平状态之间的切换。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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