CN102201755B

CN102201755B - 一种混合箝位型四电平变换器

Info

Publication number: CN102201755B
Application number: CN 201110146436
Authority: CN
Inventors: 王奎; 郑泽东; 李永东
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: CN102201755A

Abstract

本发明涉及一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：它包括一个直流母线和三个四电平桥臂，所述直流母线的两端依次并联连接所述三个四电平桥臂，每个所述四电平桥臂上设置有一输出端，所述三个四电平桥臂的三个输出端共同实现三相交流电压输出。本发明由于采用由直流母线和三个四电平桥臂组成，直流母线由三个电容串联而成，每个电容承受1/3直流母线电压，每个四电平桥臂由八个开关器件和一个箝位电容组成，箝位电容也承受1/3直流母线电压。这样通过使用不同的开关方式，就可以实现所有电容的电压平衡控制，因此，大大减少了箝位器件和箝位电容的数量，不存在开关器件直接串联的情况。本发明可以广泛应用于电力电子多电平变换器拓扑结构中。

Description

一种混合箝位型四电平变换器

技术领域

本发明涉及一种电力电子多电平变换器拓扑结构，特别是关于一种混合箝位型四电平变换器。

背景技术

高压大容量的交流电机广泛应用在轧钢、造纸、水泥、煤炭、铁路以及船舶等工业领域中。多电平技术对交流电机进行变频调速，不仅可以达到节能的目的，还可以改善工艺条件，提高生产效率和产品质量。

目前，常见的箝位型多电平拓扑主要有二极管箝位型、电容箝位型、有源中点箝位型以及通用箝位式多电平拓扑等。其中，二极管箝位型结构在工业中应用比较广泛，例如五电平桥臂结构的二极管箝位型多电平拓扑(如图1所示)，但是它存在以下缺点：1、随着输出电平数的增多，箝位二极管的数目将按照电平数目的二次方快速增加，电路结构复杂，成本增加，可靠性较低。2、五电平及以上难以实现各级母线电容电压平衡，需要额外的硬件电路。这些缺点限制了二极管箝位型拓扑往更高的电平数发展。如图2所示，电容箝位型拓扑桥臂结构的多电平拓扑，它也存在类似的缺点：必须使用大量的箝位电容，而且其数量也与电平数目的二次方成正比，造成***控制复杂，成本增加，可靠性也大大降低。有源中点箝位型拓扑是一种比较容易输出五电平的箝位型拓扑，如图3所示，其一相桥臂结构不仅使用的箝位器件较少，而且母线电容只分成两段，电容电压平衡也容易控制。但是它存在两个开关器件直接串联的情况，使得***可靠性下降，而且不能输出偶数电平。如图4所示，通用箝位式多电平拓扑桥臂结构被认为是一种最全面也最复杂的一种多电平结构，可以实现所有电容的电压自平衡。但是其主要缺点是使用的开关器件和电容数目众多，成本非常高，不适合在工业上推广使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能大大减少箝位器件和箝位电容数量，不存在开关器件直接串联情况，可靠性较高，且用较少的箝位器件就能实现多电平输出的混合箝位型四电平变换器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：它包括一个直流母线和三个四电平桥臂，所述直流母线的两端依次并联连接所述三个四电平桥臂，每个所述四电平桥臂上设置有一输出端，所述三个四电平桥臂的三个输出端共同实现三相交流电压输出。

所述直流母线包括三个串联的电容，每个所述电容承受1/3的直流母线电压；在第一个所述电容的正极性端引出第一个功率端子，在第一个所述电容与第二个所述电容之间引出第二个功率端子，在第二个所述电容与第三个所述电容之间引出第三个功率端子，在第三个所述电容的负极性端引出第四个功率端子；所述第一个功率端子和第四个功率端子依次与所述三个四电平桥臂的上、下两个输入端并联，所述第二个功率端子和第三个功率端子依次与所述三个四电平桥臂的另外两个输入端并联。

每个所述四电平桥臂均包括八个开关器件以及一个箝位电容，第一个所述开关器件的发射极连接第五个所述开关器件的集电极，并在两所述开关器件之间连接第三个所述开关器件的集电极，第三个所述开关器件的发射极连接第四个所述开关器件的集电极；第二个所述开关器件的发射极连接第六个所述开关器件的集电极，并在两所述开关器件之间连接第七个所述开关器件的发射极，第七个所述开关器件的集电极连接第八个所述开关器件的发射极；在第三个与第四个所述开关器件的公共端与第七个、第八个所述开关器件的公共端之间并联所述箝位电容，第四个所述开关器件的发射极连接第八个所述开关器件的集电极。

第一个、第二个所述开关器件的集电极分别引出第一个、第三个功率端子；第五个、第六个所述开关器件的发射极分别引出第二个、第四个功率端子；第四个所述开关器件与第八个所述开关器件之间引出输出端子；所述第一个、第四个功率端子分别连接所述直流母线的第一个、第四个功率端子，所述第二个、第三个功率端子分别连接所述直流母线的第二个、第三个功率端子。

第一个所述开关器件与第五个所述开关器件互补；第二个所述开关器件与第六个所述开关器件互补；第三个所述开关器件与第七个所述开关器件互补；第四个所述开关器件与第八个所述开关器件互补。

所述箝位电容为1/3的直流母线电压。

每个所述四电平桥臂中的开关器件采用场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或者集成门极换流晶闸管。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用由直流母线和三个四电平桥臂组成，直流母线由三个电容串联而成，每个电容承受1/3直流母线电压，每个四电平桥臂由八个开关器件和一个箝位电容组成，箝位电容也承受1/3直流母线电压。这样通过使用不同的开关方式，就可以实现所有电容的电压平衡控制，因此，大大减少了箝位器件和箝位电容的数量，不存在开关器件直接串联的情况。2、本发明由于每个四电平桥臂均包括八个开关器件和一个箝位电容，每个开关器件均与一个与其互补的开关器件相连接，形成多种开关方式。这样根据控制目标的不同，输出相同的电压时可选择不同的开关方式，使用元器件数量较少，大大简化了电路结构，可靠性较高，用较少的箝位器件实现了多电平输出。本发明可以广泛应用于电力电子多电平变换器拓扑结构中。

附图说明

图1是现有技术中二极管箝位型五电平变换器桥臂结构图；

图2是现有技术中电容箝位型五电平变换器桥臂结构图；

图3是现有技术中有源中点箝位型五电平变换器桥臂结构图；

图4是现有技术中通用箝位型五电平变换器桥臂结构图；

图5是本发明的整体结构示意图；

图6是本发明的直流母线结构示意图；

图7是本发明的四电平桥臂结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图5所示，本发明包括一个直流母线1和三个四电平桥臂2，直流母线1的两端依次并联连接三个四电平桥臂2，每个四电平桥臂2上设置有一输出端，三个四电平桥臂2的三个输出端共同实现三相交流电压输出。

如图6所示，直流母线1包括三个相同的串联电容C_d1、C_d2和C_d3，每个电容承受1/3的直流母线电压。在电容C_d1的正极性端引出第一个功率端子X1，在电容C_d1与电容C_d2之间引出第二个功率端子X2，在电容C_d2与电容C_d3之间引出第三个功率端子X3，在电容C_d3的负极性端引出第四个功率端子X4。位于直流母线1两端的第一个功率端子X1和第四个功率端子X4依次与三个四电平桥臂2的上、下两个输入端X1’、X4’并联，位于直流母线1中部的第二个功率端子X2和第三个功率端子X3依次与三个四电平桥臂2的另外两个输入端X2’、X3’并联。

如图7所示，每个四电平桥臂2均包括八个开关器件S1、S2、S3、S4、S1、S2、S3和S4以及一个箝位电容C_f，开关器件S1的发射极连接开关器件S1的集电极，并在开关器件S1与开关器件S1之间连接开关器件S3的集电极，开关器件S3的发射极连接开关器件S4的集电极；开关器件S2的发射极连接开关器件S2的集电极，并在开关器件S2与开关器件S2之间连接开关器件S3的发射极，开关器件S3的集电极连接开关器件S4的发射极；在开关器件S3、S4的公共端与开关器件S3、S4的公共端之间并联箝位电容C_f，开关器件S4的发射极与开关器件S4的集电极连接后，引出输出端子X5。在开关器件S1、S2的集电极分别引出第一个、第三个功率端子X1’、X3’，开关器件S1、S2的发射极分别引出第二个、四个功率端子X2’、X4’。其中，第一个、第四个功率端子X1’、X4’分别连接直流母线1的第一个、第四个功率端子X1、X4；第二个、第三个功率端子X2’、X3’分别连接直流母线1的第二个、第三个功率端子X2、X3。

上述实施例中，箝位电容C_f保持为1/3的直流母线电压，开关器件S1和开关器件S1、开关器件S2和开关器件S2、开关器件S3和开关器件S3、开关器件S4和开关器件S4分别互补，即当其中某一个开关器件开通时，对应的互补开关器件关断。

上述各实施例中，每个四电平桥臂2中的开关器件根据直流母线电压等级的不同，可以选择不同种类相应等级的功率半导体开关器件，比如MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)或者IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管)等。

综上所述，本发明在使用时，假设直流母线1的总电压为3E，则直流母线1中的电容C_d1、C_d2和C_d3的电压均为E，箝位电容C_f的电压也为E。当要求输出电压为Vo＝3E时，只有一种开关方式，即开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断。

当要求输出电压为Vo＝2E时，共有三种不同的开关方式，一是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断；二是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断；三是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断。

当要求输出电压为Vo＝E时，也有三种不同的开关方式，一是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断；二是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断；三是开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断。

当要求输出电压为Vo＝0时，只有一种开关方式，即开通开关器件S1、S2、S3和S4，其余开关器件关断。

根据控制目标的不同，输出相同的电压时可选择不同的开关方式，以此可实现各个电容的电压平衡控制。所有开关方式与与输出电压的真值表如表1所示。

表1混合箝位型四电平变换器的开关方式与与输出电压的真值表

S1	S2	S3	S4	Vo
					0	0	0	0	0
0	0	0	1	E
					0	0	1	0	E
1	1	0	0	E
					1	1	0	1	2E
1	1	1	0	2E
					0	0	1	1	2E
1	1	1	1	3E

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：它包括一个直流母线和三个四电平桥臂，所述直流母线的两端依次并联连接所述三个四电平桥臂，每个所述四电平桥臂上设置有一输出端，所述三个四电平桥臂的三个输出端共同实现三相交流电压输出；

所述直流母线包括三个串联的电容，每个所述电容承受1/3的直流母线电压；在第一个所述电容的正极性端引出第一个功率端子，在第一个所述电容与第二个所述电容之间引出第二个功率端子，在第二个所述电容与第三个所述电容之间引出第三个功率端子，在第三个所述电容的负极性端引出第四个功率端子；所述第一个功率端子和第四个功率端子依次与所述三个四电平桥臂的上、下两个输入端并联，所述第二个功率端子和第三个功率端子依次与所述三个四电平桥臂的另外两个输入端并联；

2.如权利要求1所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：第一个、第二个所述开关器件的集电极分别引出第一个、第三个功率端子；第五个、第六个所述开关器件的发射极分别引出第二个、第四个功率端子；第四个所述开关器件与第八个所述开关器件之间引出输出端子；所述第一个、第四个功率端子分别连接所述直流母线的第一个、第四个功率端子，所述第二个、第三个功率端子分别连接所述直流母线的第二个、第三个功率端子。

3.如权利要求1所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：第一个所述开关器件与第五个所述开关器件互补；第二个所述开关器件与第六个所述开关器件互补；第三个所述开关器件与第七个所述开关器件互补；第四个所述开关器件与第八个所述开关器件互补。

4.如权利要求2所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：第一个所述开关器件与第五个所述开关器件互补；第二个所述开关器件与第六个所述开关器件互补；第三个所述开关器件与第七个所述开关器件互补；第四个所述开关器件与第八个所述开关器件互补。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：所述箝位电容为1/3的直流母线电压。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：每个所述四电平桥臂中的开关器件采用场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或者集成门极换流晶闸管。

7.如权利要求5所述的一种混合箝位型四电平变换器，其特征在于：每个所述四电平桥臂中的开关器件采用场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管或者集成门极换流晶闸管。