CN204190626U - 四象限二极管箝位式三电平功率变换器 - Google Patents

Abstract

四象限二极管箝位式三电平功率变换器包括三相变压器、三相交流电抗器、三相可控整流桥、滤波电路、三相逆变桥、电压互感器、隔离变压器和控制器；三相变压器的二次侧包括两绕组；三相交流电输入至三相变压器的一次侧，两绕组分别连接三相交流电抗器的两组三相输入端，三相交流电抗器的两组三相输出端分别连接三相可控整流桥的两输入端，三相可控整流桥的输出端通过滤波电路连接三相逆变桥的输入端，三相逆变桥的输出端用于连接负载；电压互感器用于实时检测三相变压器的一次侧电压的相位和幅值，一次侧电压通过隔离变压器转换为电压信号，控制器根据电压信号输出相应的控制信号至三相可控整流桥和三相逆变桥的控制端。上述实用新型电路简单，成本低。

Description

四象限二极管箝位式三电平功率变换器

技术领域

本实用新型涉及一种四象限二极管箝位式三电平功率变换器。

背景技术

三电平功率变换器作为多电平功率变换器中最简单又最有实用意义的一种电路，相比两电平电路具有很多优点：（1）每个功率器件承受的电压为直流母线的一半，降低了功率器件的电压应力，因此可以提高功率变换器的容量；（2）由于输出电平数多，有效降低输出电压的谐波含量；（3）输出电压变化率（du/dt）小，可以减小功率器件的开关损耗，提高功率变换器的效率；等等。由于这些显著的优点，三电平功率变换器在高压变频调速、光伏并网逆变、高压直流输电等场合得到了应用。

现有的四象限二极管箝位三电平功率变换器主要包括交流电抗器、可控整流桥、滤波电容和逆变桥。三相交流电通过交流电抗器输入可控整流桥，滤波电容连接于可控整流桥和逆变桥之间，逆变桥的输出端连接负载。此类三电平功率变换器的拓扑结构中需使用较多的功率器件，从而造成工艺结构复杂，进而使得结构设计复杂，器件不易装配，增加成本并降低生产效率，还增大了三电平功率变换器的整机体积，不利于推广应用。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的旨在于提供一种可解决上述技术问题的四象限二极管箝位式三电平功率变换器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其包括三相变压器、三相交流电抗器、三相可控整流桥、滤波电路、三相逆变桥、电压互感器、隔离变压器和控制器；

三相变压器的二次侧包括两绕组；三相交流电输入至三相变压器的一次侧，该两绕组分别连接三相交流电抗器的两组三相输入端，该三相交流电抗器的两组三相输出端分别连接三相可控整流桥的两输入端，该三相可控整流桥的输出端通过该滤波电路连接该三相逆变桥的输入端，该三相逆变桥的输出端用于连接负载；该电压互感器用于实时检测三相变压器的一次侧电压的相位和幅值，所检测的一次侧电压通过隔离变压器转换为电压信号，控制器根据该电压信号输出相应的控制信号至三相可控整流桥和三相逆变桥的控制端。

进一步地，三相可控整流桥由三个整流桥臂并联组成，每一整流桥臂由两个两电平可控整流桥臂串联组成。

进一步地，每一整流桥臂包括第一半导体功率器件至第四半导体功率器件；每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接一续流二极管的阴极和阳极，三个第一半导体功率器件的输入端相连接，三个第四半导体功率器件的输出端相连接，每一整流桥臂的第一半导体功率器件的输出端连接对应的第二半导体功率器件的输入端，该对应的第二半导体功率器件的输出端连接对应的第三半导体功率器件的输入端，该对应的第三半导体功率器件的输出端连接对应的第四半导体功率器件的输入端；每一半导体功率器件的控制端连接该控制器；每一第一半导体功率器件和对应的第二半导体功率器件构成一两电平可控整流桥臂，每一第三半导体功率器件和对应的第四半导体功率器件构成另一两电平可控整流桥臂。

进一步地，该三相交流电抗器的其中一组三相输出端分别连接三相可控整流桥的三个第一半导体功率器件的输出端，另外一组三相输出端分别连接三相可控整流桥的三个第三半导体功率器件的输出端，三个第二半导体功率器件的输出端均连接该滤波电路。

进一步地，该滤波电路包括两相串联的电容，三个第二半导体功率器件的输出端均连接于两电容之间。

进一步地，该三相逆变桥由三个桥臂并联组成，每一桥臂包括第五半导体功率器件至第八半导体功率器件以及四对箝位二极管，每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接对应一续流二极管的阴极和阳极，三个第五半导体功率器件的输入端相连接，三个第八半导体功率器件的输出端相连接，每一桥臂的第五半导体功率器件的输出端连接对应的第六半导体功率器件的输入端，该对应的第六半导体功率器件的输出端连接对应的第七半导体功率器件的输入端，该对应的第七半导体功率器件的输出端连接对应的第八半导体功率器件的输入端；每一对箝位二极管的上箝位二极管的阴极连接对应的第五半导体功率器件的输出端，该对箝位二极管的上箝位二极管的阳极连接对应的下箝位二极管的阴极，该对应的下箝位二极管的阳极连接对应的第七半导体功率器件的输出端；每一对箝位三极管之间的节点连接于两电容之间，三个第六半导体功率器件的输出端构成该三相逆变桥的输出端。

进一步地，三电平功率变换器还包括预充电电路，该预充电电路包括电阻和电子开关，该电子开关的输入端和输出端分别连接该电阻的两端，该控制器连接该电子开关的控制端，以控制电子开关的闭合或断开；第一半导体功率器件的输入端还通过预充电电路和该滤波电路连接该第四半导体功率器件的输出端和该第八半导体功率器件的输出端，第五半导体功率器件的输入端连接该预充电电路和该滤波电路之间。

进一步地，上述半导体功率器件均为绝缘栅双极型半导体功率器件。

进一步地，三相变压器的一次侧为星形接法，其中一输出绕组为星形接法，另一输出绕组为三角形接法。

本实用新型的有益效果如下：

上述实用新型由于三相可控整流桥的两输入端通过该三相交流电抗器分别连接三相变压器的二次侧的两输出绕组，减小了整流脉动，有利于提高功率变换器输出的电能质量。另外，本功率变换器的电路简单，成本低，有利于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型四象限二极管箝位式三电平功率变换器的较佳实施方式的电路示意图。

图2为本实用新型四象限二极管箝位式三电平功率变换器的另一较佳实施方式的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

请参见图1和图2，本实用新型涉及一种四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其较佳实施方式包括三相变压器21、三相交流电抗器22、三相可控整流桥23、预充电模块24、滤波电路25、三相逆变桥26、电压互感器27、隔离变压器28和控制器。

三相变压器21的一次侧为星形接法，三相变压器21的二次侧包括两绕组，其中一输出绕组为星形接法，另一输出绕组为三角形接法。该三相变压器21的一次侧用于接收三相交流电。

三相可控整流桥23由三个整流桥臂并联组成，每一整流桥臂包括第一半导体功率器件Q1至第四半导体功率器件Q4，每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接一续流二极管D1的阴极和阳极，三个第一半导体功率器件Q1的输入端相连接，三个第四半导体功率器件Q4的输出端相连接，每一整流桥臂的第一半导体功率器件Q1的输出端连接对应的第二半导体功率器件Q2的输入端，该对应的第二半导体功率器件Q2的输出端连接对应的第三半导体功率器件Q3的输入端，该对应的第三半导体功率器件Q3的输出端连接对应的第四半导体功率器件Q4的输入端。每一半导体功率器件的控制端连接该控制器。每一第一半导体功率器件Q1和对应的第二半导体功率器件Q2构成一两电平可控整流桥臂，每一第三半导体功率器件Q3和对应的第四半导体功率器件Q4构成另一两电平可控整流桥臂，也就是说，每一整流桥臂由两个两电平可控整流桥臂串联组成。

该滤波电路25包括两个串联的电容C。

该预充电电路24包括电阻R和电子开关K，该电子开关K的输入端和输出端分别连接该电阻R的两端，该控制器连接该电子开关K的控制端，以控制电子开关K的闭合或断开。

该三相逆变桥26由三个桥臂并联组成，每一桥臂包括第五半导体功率器件Q5至第八半导体功率器件Q8以及四对箝位二极管D3，每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接对应一续流二极管D2的阴极和阳极，三个第五半导体功率器件Q5的输入端相连接，三个第八半导体功率器件Q8的输出端相连接，每一桥臂的第五半导体功率器件Q5的输出端连接对应的第六半导体功率器件Q6的输入端，该对应的第六半导体功率器件Q6的输出端连接对应的第七半导体功率器件Q7的输入端，该对应的第七半导体功率器件Q7的输出端连接对应的第八半导体功率器件Q8的输入端。每一对箝位二极管D3的上箝位二极管的阴极连接对应的第五半导体功率器件Q5的输出端，该对箝位二极管D3的上箝位二极管的阳极连接对应的下箝位二极管的阴极，该对应的下箝位二极管的阳极连接对应的第七半导体功率器件Q7的输出端。第五半导体功率器件Q5至第八半导体功率器件Q8的控制端分别连接该控制器。

三相交流电输入至三相变压器21的一次侧，该两绕组分别连接三相交流电抗器22的两组三相输入端，该三相交流电抗器22的两组三相输出端分别连接三相可控整流桥23的两输入端，该三相可控整流桥23的输出端通过该滤波电路25连接该三相逆变桥26的输入端，该三相逆变桥26的输出端用于连接负载。该电压互感器27用于实时检测三相变压器21的一次侧电压的相位和幅值，所检测的一次侧电压通过隔离变压器28转换为电压信号，以输入至该控制器，控制器根据该电压信号输出相应的控制信号至三相可控整流桥23和三相逆变桥26的控制端（即各个半导体功率器件的控制端），以调节本三电平功率变换器的能量流向和大小。

具体地，该三相交流电抗器22的其中一组三相输出端分别连接三相可控整流桥23的三个第一半导体功率器件Q1的输出端，另外一组三相输出端分别连接三相可控整流桥23的三个第三半导体功率器件Q3的输出端。三个第二半导体功率器件Q2的输出端均连接该滤波电路25的两电容C之间。每一对箝位三极管之间的节点连接于两电容C之间，三个第六半导体功率器件Q6的输出端构成该三相逆变桥的输出端。第五半导体功率器件Q的输入端连接该预充电电路和该滤波电路之间。

具体地，第一半导体功率器件Q1的输入端还通过预充电电路24和该滤波电路连接该第四半导体功率器件Q4的输出端和该第八半导体功率器件Q8的输出端。

当三电平功率变换器上电时，该控制器控制该电子开关K断开，电能经由电阻R对滤波电路25的电容C进行充电，当电容C充满时，该控制器控制该电子开关K闭合。

本实施例中，上述半导体功率器件均为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型半导体功率器件)。 

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：其包括三相变压器、三相交流电抗器、三相可控整流桥、滤波电路、三相逆变桥、电压互感器、隔离变压器和控制器； 

三相变压器的二次侧包括两绕组；三相交流电输入至三相变压器的一次侧，该两绕组分别连接三相交流电抗器的两组三相输入端，该三相交流电抗器的两组三相输出端分别连接三相可控整流桥的两输入端，该三相可控整流桥的输出端通过该滤波电路连接该三相逆变桥的输入端，该三相逆变桥的输出端用于连接负载；该电压互感器用于实时检测三相变压器的一次侧电压的相位和幅值，所检测的一次侧电压通过隔离变压器转换为电压信号，控制器根据该电压信号输出相应的控制信号至三相可控整流桥和三相逆变桥的控制端。 

2.如权利要求1所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：三相可控整流桥由三个整流桥臂并联组成，每一整流桥臂由两个两电平可控整流桥臂串联组成。 

3.如权利要求2所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：每一整流桥臂包括第一半导体功率器件至第四半导体功率器件；每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接一续流二极管的阴极和阳极，三个第一半导体功率器件的输出端相连接，三个第四半导体功率器件的输出端相连接，每一整流桥臂的第一半导体功率器件的输出端连接对应的第二半导体功率器件的输入端，该对应的第二半导体功率器件的输出端连接对应的第三 半导体功率器件的输入端，该对应的第三半导体功率器件的输出端连接对应的第四半导体功率器件的输入端；每一半导体功率器件的控制端连接该控制器；每一第一半导体功率器件和对应的第二半导体功率器件构成一两电平可控整流桥臂，每一第三半导体功率器件和对应的第四半导体功率器件构成另一两电平可控整流桥臂。 

4.如权利要求3所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：该三相交流电抗器的其中一组三相输出端分别连接三相可控整流桥的三个第一半导体功率器件的输出端，另外一组三相输出端分别连接三相可控整流桥的三个第三半导体功率器件的输出端，三个第二半导体功率器件的输出端均连接该滤波电路。 

5.如权利要求3所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：该滤波电路包括两个串联的电容，三个第二半导体功率器件的输出端均连接于两电容之间。 

6.如权利要求5所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：该三相逆变桥由三个桥臂并联组成，每一桥臂包括第五半导体功率器件至第八半导体功率器件以及四对箝位二极管，每一半导体功率器件的输入端和输出端分别连接对应一续流二极管的阴极和阳极，三个第五半导体功率器件的输入端相连接，三个第八半导体功率器件的输出端相连接，每一桥臂的第五半导体功率器件的输出端连接对应的第六半导体功率器件的输入端，该对应的第六半导体功率器件的输出端连接对应的第七半导体功率 器件的输入端，该对应的第七半导体功率器件的输出端连接对应的第八半导体功率器件的输入端；每一对箝位二极管的上箝位二极管的阴极连接对应的第五半导体功率器件的输出端，该对箝位二极管的上箝位二极管的阳极连接对应的下箝位二极管的阴极，该对应的下箝位二极管的阳极连接对应的第七半导体功率器件的输出端；每一对箝位三极管之间的节点连接于两电容之间，三个第六半导体功率器件的输出端构成该三相逆变桥的输出端。 

7.如权利要求6所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：三电平功率变换器还包括预充电电路，该预充电电路包括电阻和电子开关，该电子开关的输入端和输出端分别连接该电阻的两端，该控制器连接该电子开关的控制端，以控制电子开关的闭合或断开；第一半导体功率器件的输入端还通过预充电电路和该滤波电路连接该第四半导体功率器件的输出端和该第八半导体功率器件的输出端，第五半导体功率器件的输入端连接该预充电电路和该滤波电路之间。 

8.如权利要求6所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：上述半导体功率器件均为绝缘栅双极型晶体管。 

9.如权利要求1所述的四象限二极管箝位式三电平功率变换器，其特征在于：三相变压器的一次侧为星形接法，其中一输出绕组为星形接法，另一输出绕组为三角形接法。