CN207650295U - 一种高压型直流回馈式电子负载控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高压型直流回馈式电子负载控制系统，包括前级的直流斩波单元和后级的PWM同步整流单元，所述直流斩波单元包括依次串联的两个低压型IGBT模块，所述PWM同步整流单元包括在单只低压型IGBT模块的直流输入两端进行跨电容连接的五电平逆变器。本实用新型采用能量可回馈式设计方案，采用常规低压型IGBT（额定开路电压600Vdc），以多电平拓扑方案，实现高压型直流斩波与逆变技术，从而降低系统成本，提高可靠性，增强系统可维护性。

Description

一种高压型直流回馈式电子负载控制系统

技术领域

本实用新型涉及电子负载技术领域，具体涉及一种高压型直流回馈式电子负载控制系统。

背景技术

目前直流电子负载技术主要分为能耗型与回馈型，能耗型电子负载主要是在系统测试过程中提供恒定的负载特性，一般为电阻、电感、电容的组合，并通过电子电路进行调配，切换负载进行组合，以实现不同功率条件下的系统测试。此类电子负载消耗电能，并最终以发热的方式将散发出去，负载调整过程操作不灵活，分辨率低，经济损失大；回馈式电子负载通过可控型电力电子功率模块，配合专用驱动电路，实现直流电能逆变成三相交流电，并与电网保持同相位、同幅值，将电能回馈至电网中。此类电子负载通过DSP控制，可达到负载模式与功率任意调节，分辨率高，操作灵活。由于实现全功率段能量回馈，扣除电路本身损耗外，能量全部回馈至电网中，极大节省了测试过程中的能量损失。

传统的回馈式电子负载由于电子期间耐压问题，输入电压基本在1000V以下，采用直流斩波技术结合交流逆变技术实现电能回馈。在应对高压系统应用时，常采用选择价格昂贵的高压型功率器件来实现，导致系统成本高、可替换型差、可维护性差，可靠性差等问题。

现有的技术方案主要针对低压测试系统，基本应用再1000V以下的系统中，超过1000V的系统应用，采用特殊的高压型功率器件，成本高，可靠性差，通用性不好。逆变单元采用是两电平逆变方案，能量回馈时并入电网的电流谐波较大，对电网造成污染，甚至影响到周围的其他用电设备的性能与寿命。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种高压型直流回馈式电子负载控制系统，前级直流斩波采用新型三电平结构设计，后级三相逆变采用五电平技术，降低功率管电压应力，利用低压型IGBT模块实现高压应用。

本实用新型采用如下技术方案：

一种高压型直流回馈式电子负载控制系统，包括前级的直流斩波单元和后级的PWM同步整流单元，所述直流斩波单元包括依次串联的两个低压型IGBT模块，所述PWM同步整流单元包括在四个低压型IGBT模块的直流输入两端进行跨电容连接的五电平逆变器。

进一步地，所述直流斩波单元包括：

第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第一母线电容Cd1、第二母线电容Cd2、第一输出电感Lf1、第二输出电感Lf2、输出电容Cf和输出负载RL，其中：

第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，所述第一开关管Q11的第一端为所述直流斩波单元的第一输入端，与直流电源Vbus的正端及第一母线电容Cd1的第一端相连，第一开关管Q11的第二端与第二开关管Q12的第一端相连，连接点与第一输出电感Lf1的第一端相连；第二开关管Q12的第二端与第三开关管Q21的第一端相连，连接点与第一母线电容Cd1的第二端及第二母线电容Cd2的第一端相连；第三开关管Q21的第二端与第四开关管Q22的第一端相连，连接点与第二输出电感Lf2的第一端相连；第四开关管Q22的第二端为所述直流斩波单元的第二输入端，与直流电源Vbus的负端及第二母线电容Cd2的第二端相连；

第一输出电感Lf1的第二端为所述直流斩波单元的第一输出端，与输出电容Cf的第一端及输出负载RL的第一端相连；第二输出电感Lf2的第二端为所述直流斩波单元的第二输出端，与输出电容Cf的第二端及输出负载RL的第二端相连。

优选地，第一开关管Q11和第三开关管Q21上连接有软开关电路。

进一步地，所述五电平逆变器包括三相逆变电路，其每一相逆变电路均包括依次串联的第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第三低压型IGBT模块、第四低压型IGBT模块，其中第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，第三低压型IGBT模块包括串联的第五开关管Q31和第六开关管Q32，第四低压型IGBT模块包括串联的第七开关管Q41和第八开关管Q42，其中：

第一开关管Q11的第一端为所述五电平逆变器的第一输入端，第八开关管Q42的第二端为所述五电平逆变器的第二输入端；

第四开关管Q22的第二端与第五开关管Q31的第一端相连，连接点为所述五电平逆变器的输出端；

第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间连接有第一跨电容Cr1；

第一低压型IGBT模块和第二低压型IGBT模块的连接点与第三低压型IGBT模块和第四低压型IGBT模块的连接点之间串联连接有第二跨电容Cr2和第三跨电容Cr3；

第一低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第四低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间串联连接有第四跨电容Cr4、第五跨电容Cr5、第六跨电容Cr6。

由以上技术方案可知，本实用新型采用能量可回馈式设计方案，采用常规低压型IGBT（额定开路电压600Vdc），以多电平拓扑方案，实现高压型直流斩波与逆变技术，从而降低系统成本，提高可靠性，增强系统可维护性；多电平技术应用在三相逆变拓扑中，逆变波形为阶梯状方波，更接近与正弦波，从而可以缩小滤波器容量，提高并网电压、电流波形的正弦度，降低电压、电流谐波，减少对电网污染，不影响电网质量。

附图说明

图1为本实用新型高压型直流回馈式电子负载控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型中直流斩波单元的结构示意图；

图3为本实用新型中五电平逆变器的结构示意图；

图4为五电平逆变器的逆变电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，高压型直流回馈式电子负载控制系统主要分为两个单元，一是前级的直流斩波单元，二是后级PWM同步整流单元。

直流斩波单元按照三电平降压电路拓扑设计，选用常规1200V电压等级的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）功率模块，采用两个低压型IGBT模块串联结构，最高支持母线电压可达到2400V，实际应用按照母线电压2000V进行设计。并非采用价格昂贵且应用领域很少的高压型功率器件，而是采用常规的低压型功率器件，通过设计一种新型的多电平的电源变换拓扑结构实现高压输入设计。

如图2所示，所述直流斩波单元包括：

第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第一母线电容Cd1、第二母线电容Cd2、第一输出电感Lf1、第二输出电感Lf2、输出电容Cf和输出负载RL，其中：

第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，所述第一开关管Q11的第一端为所述直流斩波单元的第一输入端，与直流电源Vbus的正端及第一母线电容Cd1的第一端相连，第一开关管Q11的第二端与第二开关管Q12的第一端相连，连接点与第一输出电感Lf1的第一端相连；第二开关管Q12的第二端与第三开关管Q21的第一端相连，连接点与第一母线电容Cd1的第二端及第二母线电容Cd2的第一端相连；第三开关管Q21的第二端与第四开关管Q22的第一端相连，连接点与第二输出电感Lf2的第一端相连；第四开关管Q22的第二端为所述直流斩波单元的第二输入端，与直流电源Vbus的负端及第二母线电容Cd2的第二端相连；

第一输出电感Lf1的第二端为所述直流斩波单元的第一输出端，与输出电容Cf的第一端及输出负载RL的第一端相连；第二输出电感Lf2的第二端为所述直流斩波单元的第二输出端，与输出电容Cf的第二端及输出负载RL的第二端相连。

为降低功率管开关损耗，对IGBT的开通与关断采用软开关的方式实现，使得IGBT功率管实现0电压开通和0电流关断，大大降低IGBT的损耗。主功率管开通前，软开关控制管导通，为谐振电路放电，谐振电容两端电压下降至接近于0。然后主功率管开通，实现0电压开通。主功率管关断前，软开关控制管关断，为谐振电路充电，谐振电路吸收电流，实现主功率管的0电流关断。所述直流斩波单元中第一开关管Q11和第三开关管Q21上连接有软开关电路，包括串联在第一开关管Q11的第一端的谐振电感Lr1及串联在第三开关管Q21的第一端的谐振电感Lr2，以及与第一开关管Q11并联的谐振电容Cr1、与第三开关管Q21并联的谐振电容Cr2。

如图1所示，所述PWM同步整流单元包括在单只低压型IGBT模块的直流输入两端进行跨电容连接的五电平逆变器，逆变单元采用五电平逆变技术，采用四只600V额定电压等级的IGBT模块进行串联，母线电压最高可以达到2400V，实际应用按照母线电压2000V进行设计。在单只IGBT模块直流输入两端进行飞跨电容的方式。

图3为五电平逆变器中的其中A相电路拓扑结构，另外两相分别对应三相逆变器的B相和C相。

每一相逆变电路均包括依次串联的第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第三低压型IGBT模块、第四低压型IGBT模块，其中第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，第三低压型IGBT模块包括串联的第五开关管Q31和第六开关管Q32，第四低压型IGBT模块包括串联的第七开关管Q41和第八开关管Q42，其中：

第一开关管Q11的第一端为所述五电平逆变器的第一输入端，第八开关管Q42的第二端为所述五电平逆变器的第二输入端；

第四开关管Q22的第二端与第五开关管Q31的第一端相连，连接点为所述五电平逆变器的输出端；

第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间连接有第一跨电容Cr1；

第一低压型IGBT模块和第二低压型IGBT模块的连接点与第三低压型IGBT模块和第四低压型IGBT模块的连接点之间串联连接有第二跨电容Cr2和第三跨电容Cr3；

第一低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第四低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间串联连接有第四跨电容Cr4、第五跨电容Cr5、第六跨电容Cr6。

五电平三相逆变拓扑，采用PWM同步整流技术，结合DQ坐标变换算法，逆变电压波形由单一的两电平方波变为五电平阶梯状波形。每一相都是由8只功率管进行串联，8只功率管中有四只为同时开通或关断，形成四组互补的开关组合，如（Q11,Q31）,(Q12,Q32),(Q21,Q41),(Q22,Q42)的组合。

五电平逆变器的输入侧还并联有四个母线电容，划分成五种母线电压，其中五电平逆变器第一输入端与母线电容C2之间形成母线电压V5，为1倍母线电压；母线电容C1与母线电容C2之间形成母线电压V4，为1/2倍母线电压；母线电容C2与母线电容C3之间形成母线电压V3，为输出零电位点；母线电容C3与母线电容C4之间形成母线电压V2，为负半轴1/2倍母线电压；母线电容C4与五电平逆变器第二输入端之间形成母线电压V1，为负半轴1倍母线电压。定义Vbus(母线电压)=2E，如图4所示，通过控制互补功率管工作，实现输出电压为2E，E，0，E和2E。这样设计不仅降低LC滤波器容量，且使得交流电压、电流更接近标准的正弦波，电流谐波可控制在1%以内，极大减小了对电网的污染。

还可以采用MOSFET模块作为主功率模块，研究三电平拓扑结构，可实现高压直流电子负载系统。多个MOSFET进行交错并联结构，可提高开关频率至30kHz以上，大大减小了设备体积。

以上所述实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高压型直流回馈式电子负载控制系统，包括前级的直流斩波单元和后级的PWM同步整流单元，其特征在于，所述直流斩波单元包括依次串联的两个低压型IGBT模块，所述PWM同步整流单元包括在四个低压型IGBT模块的直流输入两端进行跨电容连接的五电平逆变器。

2.根据权利要求1所述的高压型直流回馈式电子负载控制系统，其特征在于，所述直流斩波单元包括：

第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第一母线电容Cd1、第二母线电容Cd2、第一输出电感Lf1、第二输出电感Lf2、输出电容Cf和输出负载RL，其中：

第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，所述第一开关管Q11的第一端为所述直流斩波单元的第一输入端，与直流电源Vbus的正端及第一母线电容Cd1的第一端相连，第一开关管Q11的第二端与第二开关管Q12的第一端相连，连接点与第一输出电感Lf1的第一端相连；第二开关管Q12的第二端与第三开关管Q21的第一端相连，连接点与第一母线电容Cd1的第二端及第二母线电容Cd2的第一端相连；第三开关管Q21的第二端与第四开关管Q22的第一端相连，连接点与第二输出电感Lf2的第一端相连；第四开关管Q22的第二端为所述直流斩波单元的第二输入端，与直流电源Vbus的负端及第二母线电容Cd2的第二端相连；

第一输出电感Lf1的第二端为所述直流斩波单元的第一输出端，与输出电容Cf的第一端及输出负载RL的第一端相连；第二输出电感Lf2的第二端为所述直流斩波单元的第二输出端，与输出电容Cf的第二端及输出负载RL的第二端相连。

3.根据权利要求2所述的高压型直流回馈式电子负载控制系统，其特征在于，所述第一开关管Q11和第三开关管Q21上连接有软开关电路。

4.根据权利要求2或3所述的高压型直流回馈式电子负载控制系统，其特征在于，所述五电平逆变器包括三相逆变电路，其每一相逆变电路均包括依次串联的第一低压型IGBT模块、第二低压型IGBT模块、第三低压型IGBT模块、第四低压型IGBT模块，其中第一低压型IGBT模块包括串联的第一开关管Q11和第二开关管Q12，第二低压型IGBT模块包括串联的第三开关管Q21和第四开关管Q22，第三低压型IGBT模块包括串联的第五开关管Q31和第六开关管Q32，第四低压型IGBT模块包括串联的第七开关管Q41和第八开关管Q42，其中：

第一开关管Q11的第一端为所述五电平逆变器的第一输入端，第八开关管Q42的第二端为所述五电平逆变器的第二输入端；

第四开关管Q22的第二端与第五开关管Q31的第一端相连，连接点为所述五电平逆变器的输出端；

第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第二低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间连接有第一跨电容Cr1；

第一低压型IGBT模块和第二低压型IGBT模块的连接点与第三低压型IGBT模块和第四低压型IGBT模块的连接点之间串联连接有第二跨电容Cr2和第三跨电容Cr3；

第一低压型IGBT模块中两个开关管的连接点与第四低压型IGBT模块中两个开关管的连接点之间串联连接有第四跨电容Cr4、第五跨电容Cr5、第六跨电容Cr6。