CN114567194A - 一种三电平anpc拓扑的开关优化方法 - Google Patents

一种三电平anpc拓扑的开关优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明开了一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法。本发明通过在零电平状态中始终保持Q5Q6开通的方法使得三电平ANPC拓扑下的开关动作次数降低，也降低了开关损耗，同时增加一条有功电流零电平状态下的并联续流路径，使得零电平状态下的续流管在有功输出阶段承受一半的负载电流，使得本方案能够解决短换流路径中开关频率高的问题，同时避免了长换流路径中因增加电路杂散电感从而导致开关管尖峰电压过大的问题。

Description

一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法
技术领域
本发明涉及三电平ANPC拓扑开关调制方法领域，尤其涉及一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法。
背景技术
现有三电平ANPC结构是基于INPC拓扑演变而来的一种改进型拓扑结构，相较于传统INPC型三电平拓扑电路，三电平ANPC型拓扑电路引入了Q5/Q6两个功率管，从而优化了中性点续流回路三电平ANPC拓扑结构中的电平状态主要有正电平、负电平和零电平三种，其中零电平续流在现有技术中主要有短换流路径和长换流路径两种续流方式；短换流路径方式为外管高频内管基频的调制方式，长换流路径方式为内管高频外管基频的调制方式。而现有技术中采用短换流路径时会使得在进行电平切换时增加开关管的总开关动作次数，使得开关管损耗大，而采用长换流路径时，会使得等效杂散电感大幅增加从而导致调节开关管时关断尖峰过大。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法”，其公告号CN112688584A，方法是采用高频调制信号驱动功率器件的PWM驱动信号；零电平续流开始时，先使用1条短续流路径强迫换流，后再额外开通1条续流路径，均衡损耗；零电平续流结束时，先关断额外开通的续流路径，迫使电流重新从短续流路径续流；输出正/负电平时，适时开通箝位管，对两串联承压开关管进行可靠的双向箝位；此专利中在进行零电平续流时依旧采用到了短续流路径的方式，依然存在一定的开关损耗。
发明内容
本发明要针对现有技术中对零电平续流开关方法的优化，能够解决短换流路径中开关频率高的问题，同时避免了长换流路径中因增加电路杂散电感从而导致开关管尖峰电压过大的问题；提供一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明包括以下步骤：
1)调制波为正时：调制过程的载波周期自正零电平状态向正电平状态过渡，再由正电平状态过渡回到正零电平状态；
正零电平状态与正电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为正零电平过渡状态；
分别设置正电平状态、正零电平状态以及正零电平过渡状态下各开关的导通情况；每个状态下导通的开关相互连接，形成该状态下的续流通路；
2)调制波为负时：调制过程的载波周期自负零电平状态向负电平状态过渡，再由负电平状态过渡回到负零电平状态；
零负电平状态与负电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为负零电平过渡状态；
分别设置负电平状态、负零电平状态和负零电平过渡状态下各开关的导通情况；每个状态下导通的开关相互连接，形成该状态下的续流通路；
3)调制波由正转负时，载波周期自正零电平状态向负零电平状态过渡；调制波由负转正时，载波周期由负零电平状态向正零电平状态过渡；正零电平状态与负零电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为零电平过渡状态。
作为优选，三电平ANPC拓扑一相的开关包含六组功率元件，六组功率元件分别包括开关管Q1和二极管D1、开关管Q2和二极管D2、开关管Q3和二极管D3、开关管Q4和二极管D4、开关管Q5和二极管D5、开关管Q6和二极管D6；本技术方案中应用到的功率元件为ANPC拓扑开关中用到的常用元件，而本技术方案主要通过设计开关调节时机与调节方法来达到本技术方案的目标效果。
作为优选，所述的调制波为正时，载波周期在正电平状态与正零电平状态之间变化，包含以下步骤：
1-1)正零电平状态：正调制波下，导通开关管Q2、Q5和Q6到达正零电平状态；
1-2)正零电平过渡状态：在正零电平状态基础上保持开关管Q2和Q6导通，并关闭开关管Q5到达正零电平过渡状态；
1-3）正电平状态：在正零电平过渡状态基础上保持开关管Q2和Q6导通，并导通开关管Q1到达正电平状态；
1-4)同理得到正电平状态向正零电平状态过渡时各状态的的开关导通情况；
此处为调制波为正的情况下，以正电平向正零电平的过渡过程为例作如下解释，此过程中，正电平状态下Q1Q2Q3Q4Q5Q6六个开关管的电平状态分别为110001，而抵达第一过渡态时六个开关管的状态变为010001，即保持Q2与Q6开通，使得电路中的电流不会立马变为0，在抵达正零电平状态时，六个开关管状态分别为010011，即在过渡态基础上开通开关管Q5，以此减小了开关的损耗。
作为优选，所述的调制波为负时，载波周期在负电平状态与负零电平状态之间变化，具体包含以下步骤：
2-1)负零电平状态：负调制波下，导通开关管Q3、Q5和Q6到达负零电平状态；
2-2)负零电平过渡状态：在负零电平状态基础上保持开关管Q3和Q5导通，并关闭开关管Q6到达负零电平过渡状态；
2-3)负电平状态：在负零电平过渡状态基础上保持开关管Q3和Q5导通，并导通开关管Q4到达负电平状态；
2-4)同理得到负电平状态向负零电平状态过渡时各个状态的开关导通情况。
作为优选，所述的调制波正负发生转变时，载波周期在正零电平状态与负零电平状态之间过渡，具体包括以下步骤：
调制波由正转负时，载波周期由正零电平状态向负零电平过渡：
3-1)正零电平状态：正零电平状态下保持开关管Q2、Q5和Q6导通；
3-2)零电平过渡状态：在正零电平状态基础上保持开关管Q5和Q6导通，并关闭开关管Q2，到达零电平过渡状态；
3-3)负零电平状态：在零电平过渡状态基础上保持开关管Q5和Q6导通，并导通开关管Q3，到达负零电平状态；
调制波由负转正时，同理得到载波周期由负零电平状态向正零电平状态过渡时，各个状态的开关导通情况。
作为优选，所述的调制波为正时：所述正电平状态下：开关管Q1与开关管Q2串联导通形成正电流的续流通路，二极管D1与二极管D2串联导通形成负电流的续流通路，且开关管Q6保持导通作为开关管Q3和开关管Q4的均压管；所述正零电平状态下：开关管Q2与二极管D5串联导通形成第一通路，二极管D3与开关管Q6串联导通形成第二通路，所述第一通路与第二通路并联作为正电流续流通路；二极管D2与开关管Q5串联导通作为负电流续流通路；其中开关管Q2为内管基频，开关管Q5与开关管Q1高频控制。
作为优选，所述的调制波为负时：所述负电平状态下: 二极管D3与二极管D4串联导通形成正电流的续流通路，开关管Q3与开关管Q4串联导通形成负电流的续流通路，且二极管D5导通作为开关管Q1和开关管Q2的均压管；所述负零电平状态下：开关管Q5与二极管D2串联导通形成第一通路，二极管D6与开关管Q3串联导通形成第二通路，所述第一通路与第二通路并联作为负电流续流通路；二极管D3与开关管Q6串联导通作为正电流续流通路；其中开关管Q3为内管基频，开关管Q4与开关管Q6高频控制。
本发明的有益效果是：本技术方案通过在零电平状态中始终保持开关管Q5和开关管Q6开通的方法使得三电平ANPC拓扑下的开关动作次数降低，很大程度降低了开关损耗；本技术方案增加一条有功电流零电平状态下的并联续流路径，使得零电平状态下的续流管在有功输出阶段承受一半的负载电流；本技术方案解决了短换流路径中开关频率高的问题同时避免长换流路径中增加杂散电感而导致开关管尖峰电压过大的问题，对于长换流路径与短换流路径中均存在技术改进。
附图说明
图1是本技术方案调制波为正时的正电平续流路径图；
图2是本技术方案调制波为正时的零电平续流路径图；
图3是本技术方案调制波为负时的负电平续流路径图；
图4是本技术方案调制波为负时的零电平续流路径图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：
本实施例的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，如图1、图2、图3或图4所示，包括了调制波为正和调制波为负时的开关优化方法，包含开关管Q1和二极管D1、开关管Q2和二极管D2、开关管Q3和二极管D3、开关管Q4和二极管D4、开关管Q5和二极管D5、开关管Q6和二极管D6六组元件，所述控制方法包括如下步骤：当调制波为正的时候，设定零电平续流的开关状态为开通开关管Q2、开关管Q5和开关管Q6，其中开关管Q2设为内管基频，开关管Q5与开关管Q1交替开关，且开关高频控制，开关管Q6在正电平的时候开通作为开关管Q3与开关管Q4的均压管从而使其电压平衡，在零电平的时候开关管Q6依然保持开通，此时开关管Q6与二极管D3结合作为正向电流的续流通道之一，开关管Q6和二极管D3、开关管Q2和二极管D5两组元件各自分担一半的相电流，并进行续流控制。
当调制波为负的时候，设定零电平续流的开关状态为开通开关管Q3、开关管Q5和开关管Q6，其中开关管Q3设为内管基频，开关管Q6与开关管Q4交替开关，且开关高频控制，开关管Q5在负电平的时候开通作为开关管Q1和开关管Q2的均压管，其中Q5在零电平的时候依然保持开通，开关管Q5与二极管D2结合作为正向电流的续流通道之一，开关管Q3与二极管D6结合作为另一条续流通道，两条续流通道并联进行续流控制，使得续流管在有功输出阶段承受一半的负载电流上。
此处零电平状态下开关管Q5与开关管Q6的开通状态相对于短换流路径而言引入了长换流路径，但通过此时与原短换流路径的并联从而减少了杂散电感的影响，实际应用中合理利用了短换流路径与长换流路径各自的优点并解决了长换流路径或短换流路径单独使用时出现的问题。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调制波为正时：调制过程的载波周期自正零电平状态向正电平状态过渡，再由正电平状态过渡回到正零电平状态；
正零电平状态与正电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为正零电平过渡状态；
分别设置正电平状态、正零电平状态以及正零电平过渡状态下各开关的导通情况；每个状态下导通的开关相互连接，形成该状态下的续流通路；
2)调制波为负时：调制过程的载波周期自负零电平状态向负电平状态过渡，再由负电平状态过渡回到负零电平状态；
零负电平状态与负电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为负零电平过渡状态；
分别设置负电平状态、负零电平状态和负零电平过渡状态下各开关的导通情况；每个状态下导通的开关相互连接，形成该状态下的续流通；
3)调制波由正转负时，载波周期自正零电平状态向负零电平状态过渡；调制波由负转正时，载波周期由负零电平状态向正零电平状态过渡；正零电平状态与负零电平状态过渡过程中包含中间状态，设所述中间状态为零电平过渡状态。
2.根据权利要求1所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，三电平ANPC拓扑一相的开关包含六组功率元件，六组功率元件分别包括开关管Q1和二极管D1、开关管Q2和二极管D2、开关管Q3和二极管D3、开关管Q4和二极管D4、开关管Q5和二极管D5、开关管Q6和二极管D6。
3.根据权利要求2所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，所述的调制波为正时，载波周期在正电平状态与正零电平状态之间变化，包含以下步骤：
1-1)正零电平状态：正调制波下，导通开关管Q2、Q5和Q6到达正零电平状态；
1-2)正零电平过渡状态：在正零电平状态基础上保持开关管Q2和Q6导通，并关闭开关管Q5到达正零电平过渡状态；
1-3)正电平状态：在正零电平过渡状态基础上保持开关管Q2和Q6导通，并导通开关管Q1到达正电平状态；
1-4)同理得到正电平状态向正零电平状态过渡时各状态的的开关导通情况。
4.根据权利要求2所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，所述的调制波为负时，载波周期在负电平状态与负零电平状态之间变化，具体包含以下步骤：
2-1)负零电平状态：负调制波下，导通开关管Q3、Q5和Q6到达负零电平状态；
2-2)负零电平过渡状态：在负零电平状态基础上保持开关管Q3和Q5导通，并关闭开关管Q6到达负零电平过渡状态；
2-3)负电平状态：在负零电平过渡状态基础上保持开关管Q3和Q5导通，并导通开关管Q4到达负电平状态；
2-4)同理得到负电平状态向负零电平状态过渡时个状态的开关导通情况。
5.根据权利要求2所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，所述的调制波正负发生转变时，载波周期在正零电平状态与负零电平状态之间过渡，具体包括以下步骤：
调制波由正转负时，载波周期由正零电平状态向负零电平过渡：
3-1)正零电平状态：正零电平状态下保持开关管Q2、Q5和Q6导通；
3-2)零电平过渡状态：在正零电平状态基础上保持开关管Q5和Q6导通，并关闭开关管Q2，到达零电平过渡状态；
3-3)负零电平状态：在零电平过渡状态基础上保持开关管Q5和Q6导通，并导通开关管Q3，到达负零电平状态；
调制波由负转正时，同理得到载波周期由负零电平状态向正零电平状态过渡时，各个状态的开关导通情况。
6.根据权利要求3所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，调制波为正时：
所述正电平状态下：开关管Q1与开关管Q2串联导通形成正电流的续流通路，二极管D1与二极管D2串联导通形成负电流的续流通路，且开关管Q6保持导通作为开关管Q3和开关管Q4的均压管；
所述正零电平状态下：开关管Q2与二极管D5串联导通形成第一通路，二极管D3与开关管Q6串联导通形成第二通路，所述第一通路与第二通路并联作为正电流续流通路；二极管D2与开关管Q5串联导通作为负电流续流通路；其中开关管Q2为内管基频，开关管Q5与开关管Q1高频控制。
7.根据权利要求4所述的一种三电平ANPC拓扑的开关优化方法，其特征在于，调制波为负时：
所述负电平状态下: 二极管D3与二极管D4串联导通形成正电流的续流通路，开关管Q3与开关管Q4串联导通形成负电流的续流通路，且二极管D5导通作为开关管Q1和开关管Q2的均压管；
所述负零电平状态下：开关管Q5与二极管D2串联导通形成第一通路，二极管D6与开关管Q3串联导通形成第二通路，所述第一通路与第二通路并联作为负电流续流通路；二极管D3与开关管Q6串联导通作为正电流续流通路；其中开关管Q3为内管基频，开关管Q4与开关管Q6高频控制。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115579919A (zh) * 2022-11-22 2023-01-06 武汉新能源接入装备与技术研究院有限公司 一种适用于轨道交通的飞轮储能系统及方法

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