CN102545566A

CN102545566A - 一种h桥和半h桥通用电路模块

Info

Publication number: CN102545566A
Application number: CN2012100006920A
Authority: CN
Inventors: 胡鹏飞; 江道灼; 郭捷; 周月宾; 梁一桥
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种H桥和半H桥通用电路模块，它包括四个可控功率半导体器件、四个二极管、三个双向可控开关、一个单刀双掷开关和两个电解电容；双向可控开关可以为双向可控硅、电磁继电器等；可控功率半导体器件可以为IGBT、MOSFET、SCR等；本发明H桥和半H桥通用电路模块既能作为H桥工作，又能作为半H桥工作，几乎适用于所有的级联型多电平电力电子设备。H桥和半H桥的转换不需要改接线，只需要改变一位控制开关量就能实现，非常方便，非常适用于既能级联H桥，又能级联半H桥的电力电子设备。

Description

一种H桥和半H桥通用电路模块

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种H桥和半H桥通用电路模块。

技术背景

随着电力电子技术的飞速发展，全控型电力电子器件（如IGBT、IGCT、MOSFET和GTO等）发展使用越来越广泛，模块化级联型电压源换流器目前已经广泛应用于大功率电力电子设备制造技术、电力传动技术、柔***流输电技术以及高压直流输电技术等领域。目前级联型电压源换流器的级联子模块电路，一般是全控型电力电子器件构成的H桥和半H桥。例如级联型STATCOM（星形或三角形连接）采用H桥模块级联，用于补偿负荷功率因数或向电力***提供无功；模块化多电平换流器（三相全桥连接）既可以采用半H桥级联模块，又可以采用H桥级联模式，甚至是H桥、半H桥混合级联模式，用于构成新型高压直流输电、柔***流输电等装置的核心部件，或构成大功率逆变器、变频器。

以上所述的基于H桥、半H桥级联型电力电子设备，输出的电压波形质量高、谐波含量小、电压等级高，用在电力电子和电力***领域显示出非常优越的性能。因此目前针对H桥、半H桥级联型电力电子设备的研究非常热门，但是对于一个既能使用半H桥级联，又能使用H桥级联的电力电子设备，两种级联方式下的控制策略和运行效果都是不同的，所以进行对比实验非常必要，而常规的H桥和半H桥只能满足一种电路拓扑，要改变电路拓扑需要重新搭建电路。本发明H桥和半H桥通用电路模块能很好解决这个问题，只需要一个控制量就能实现H桥和半H桥的转换，非常方便，对于该类设备的研究具有非常重要的价值和意义。

发明内容

本发明的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种H桥和半H桥通用电路模块。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种H桥和半H桥通用电路模块，它包括四个可控功率半导体器件、四个二极管、三个双向可控开关、一个单刀双掷开关和两个电解电容；双向可控开关可以为双向可控硅、电磁继电器等；可控功率半导体器件可以为IGBT、MOSFET、SCR等。

进一步地，所述可控功率半导体器件为IGBT，所述四个二极管D1~D4分别反并联在四个IGBT T1~T4的集电极和发射极之间，第一IGBT T1的发射极和第二IGBT T2的集电极相连，第三IGBT T3的发射极和第四IGBT T4的集电极相连，第一IGBT T1的集电极和第一电解电容C1的正极相连，第二IGBT T2的发射极和第一电解电容C1的负极相连，第三IGBT T3的集电极和第二电解电容C2的正极相连，第四IGBT T4的发射极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一IGBT T1的集电极和第三IGBT T3的集电极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的发射极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的集电极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四IGBT的集电极相连，第二开关触点Kb和第四IGBT T4的发射极相连，第一IGBT T1的发射极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

进一步地，，所述可控功率半导体器件为MOSFET，四个二极管D1~D4分别反并联在四个MOSFET T1~T4的漏极和源极之间，第一MOSFET T1的源极和第二MOSFET T2的漏极相连，第三MOSFET T3的源极和第四MOSFET T4的漏极相连，第一MOSFET T1的漏极和第一电解电容C1的正极相连，第二MOSFET T2的源极和第一电解电容C1的负极相连，第三MOSFET T3的漏极和第二电解电容C2的正极相连，第四MOSFET T4的源极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一MOSFET T1的漏极和第三MOSFET T3的漏极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二MOSFET T2的源极和第四MOSFET T4的源极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二MOSFET T2的源极和第四MOSFET T4的漏极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四MOSFET T4的漏极相连，第二开关触点Kb和第四MOSFET T4的源极相连，第一MOSFET T1的源极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

进一步地，所述可控功率半导体器件为SCR，四个二极管D1~D4分别反并联在四个SCR T1~T4的阳极和阴极之间，第一SCR T1的阴极和第二SCR T2的阳极相连，第三SCR T3的阴极和第四SCR T4的阳极相连，第一SCR T1的阳极和第一电解电容C1的正极相连，第二SCR T2的阴极和第一电解电容C1的负极相连，第三SCR T3的阳极和第二电解电容C2的正极相连，第四SCR T4的阴极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一SCR T1的阳极和第三SCR T3的阳极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二SCR T2的阴极和第四SCR T4的阴极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二SCR T2的阴极和第四SCR T4的阳极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四SCR T4的阳极相连，第二开关触点Kb和第四SCR T4的阴极相连，第一SCR T1的阴极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

本发明的有益效果在于：本发明级联型电压源换流器的子模块电路既能作为H桥工作，又能作为半H桥工作，几乎适用于所有的级联型多电平电力电子设备。H桥和半H桥的转换不需要改接线，只需要改变一位控制开关量就能实现，非常方便，非常适用于既能级联H桥，又能级联半H桥的电力电子设备，两种级联方式的对比研究。

附图说明

图1是本发明H桥和半H桥通用电路模块的结构示意图；

图2是本发明H桥和半H桥通用电路模块工作于半H桥模式的等效电路；

图3是本发明H桥和半H桥通用电路模块工作于H桥模式的等效电路。

具体实施方式

下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明H桥和半H桥通用电路模块，包括四个可控功率半导体器件、四个二极管、三个双向可控开关、一个单刀双掷开关和两个电解电容；双向可控开关可以为双向可控硅、电磁继电器等。可控功率半导体器件可以为IGBT、MOSFET、SCR等。

实施例1

本实施例中，可控功率半导体器件为IGBT，如图1所示，四个二极管D1~D4分别反并联在四个IGBT T1~T4的集电极和发射极之间，第一IGBT T1的发射极和第二IGBT T2的集电极相连，第三IGBT T3的发射极和第四IGBT T4的集电极相连，第一IGBT T1的集电极和第一电解电容C1的正极相连，第二IGBT T2的发射极和第一电解电容C1的负极相连，第三IGBT T3的集电极和第二电解电容C2的正极相连，第四IGBT T4的发射极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一IGBT T1的集电极和第三IGBT T3的集电极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的发射极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的集电极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四IGBT的集电极相连，第二开关触点Kb和第四IGBT T4的发射极相连，第一IGBT T1的发射极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

本发明H桥和半H桥通用电路模块，有H桥模式和半H桥模式两种工作状态，故一位开关控制量就能实现两种模式的切换，由控制器产生开关控制量控制三个双向可控开关的通断和单刀双掷开关的切换。不妨设开关控制量值为0时电路工作为半H桥模式，开关控制量值为1时电路工作为H桥模式。

当开关控制量值为0时，控制第一双向可控开关S1断开，第二双向可控开关S2断开，第三双向可控开关S3闭合，单刀双掷开关K1投向第二开关触点Kb，产生的等效电路如图2所示，第一端子A和第一IGBT T1的发射极相连，第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的集电极相连，第二端子B和第四IGBT T4的发射极相连，电路为两个半H桥级联。

当开关控制量值为1时，控制第一双向可控开关S1闭合，第二双向可控开关S2闭合，第三双向可控开关S3断开，单刀双掷开关K1投向第一开关触点Ka，产生的等效电路如图3所示，第一IGBT T1的集电极和第三IGBT T3的集电极相连，第二IGBT T2的发射极和第四IGBT T4的发射极相连，第一端子A和第一IGBT T1的发射极相连，第二端子B和第四IGBT T4的集电极相连，电路为一个H桥。

实施例2

本实施例中，可控功率半导体器件为MOSFET，如图1所示，四个二极管D1~D4分别反并联在四个MOSFET T1~T4的漏极和源极之间，第一MOSFET T1的源极和第二MOSFET T2的漏极相连，第三MOSFET T3的源极和第四MOSFET T4的漏极相连，第一MOSFET T1的漏极和第一电解电容C1的正极相连，第二MOSFET T2的源极和第一电解电容C1的负极相连，第三MOSFET T3的漏极和第二电解电容C2的正极相连，第四MOSFET T4的源极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一MOSFET T1的漏极和第三MOSFET T3的漏极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二MOSFET T2的源极和第四MOSFET T4的源极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二MOSFET T2的源极和第四MOSFET T4的漏极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四MOSFET的漏极相连，第二开关触点Kb和第四MOSFET T4的源极相连，第一MOSFET T1的源极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

本实施例工作的工作过程与实施例1相同，也可同时工作于H桥和半H桥电路。

实施例3

本实施例中，可控功率半导体器件为SCR，如图1所示，四个二极管D1~D4分别反并联在四个SCR T1~T4的阳极和阴极之间，第一SCR T1的阴极和第二SCR T2的阳极相连，第三SCR T3的阴极和第四SCR T4的阳极相连，第一SCR T1的阳极和第一电解电容C1的正极相连，第二SCR T2的阴极和第一电解电容C1的负极相连，第三SCR T3的阳极和第二电解电容C2的正极相连，第四SCR T4的阴极和第二电解电容C2的负极相连，第一双向可控开关S1的两端分别和第一SCR T1的阳极和第三SCR T3的阳极相连，第二双向可控开关S2的两端分别和第二SCR T2的阴极和第四SCR T4的阴极相连，第三双向可控开关S3的两端分别和第二SCR T2的阴极和第四SCR T4的阳极相连，单刀双掷开关K1第一开关触点Ka和第四SCR T4的阳极相连，第二开关触点Kb和第四SCR T4的阴极相连，第一SCR T1的阴极作为第一输出端子A，单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子B。

电路中的双向可控开关可以选择电力电子器件，如双向可控硅等，也可以选择电磁开关元件，如电磁继电器等，具体的选择可以根据工程响应时间和耐压要求来选择。当开关控制量为0时，电路工作于半H桥模式，第三双向可控开关S3闭合，第一双向可控开关S1和第二双向可控开关S2承受的压降为两直流电容的电压差，单刀双掷开关承受的压降为第四IGBT T4的正向压降；当开关控制量为1时，电路工作于H桥模式，第一双向可控开关S1、第二双向可控开关S2闭合，第三双向可控开关S3和单刀双掷开关K1承受的压降为第四IGBT T4的正向压降。所以三个双向可控开关和单刀双掷开关耐压选择以直流电容器额定电压为标准，加一定的裕度。

Claims

1.一种H桥和半H桥通用电路模块，其特征在于，它包括四个可控功率半导体器件、四个二极管、三个双向可控开关、一个单刀双掷开关和两个电解电容；双向可控开关可以为双向可控硅、电磁继电器等；可控功率半导体器件可以为IGBT、MOSFET、SCR等。

2.根据权利要求1所述H桥和半H桥通用电路模块，其特征在于，所述可控功率半导体器件为IGBT，所述四个二极管（D1~D4）分别反并联在四个IGBT（T1~T4）的集电极和发射极之间，第一IGBT（T1）的发射极和第二IGBT（T2）的集电极相连，第三IGBT（T3）的发射极和第四IGBT（T4）的集电极相连，第一IGBT（T1）的集电极和第一电解电容（C1）的正极相连，第二IGBT（T2）的发射极和第一电解电容（C1）的负极相连，第三IGBT（T3）的集电极和第二电解电容（C2）的正极相连，第四IGBT（T4）的发射极和第二电解电容（C2）的负极相连，第一双向可控开关（S1）的两端分别和第一IGBT（T1）的集电极和第三IGBT（T3）的集电极相连，第二双向可控开关（S2）的两端分别和第二IGBT（T2）的发射极和第四IGBT（T4）的发射极相连，第三双向可控开关（S3）的两端分别和第二IGBT（T2）的发射极和第四IGBT（T4）的集电极相连，单刀双掷开关（K1）第一开关触点（Ka）和第四IGBT（T4）的集电极相连，第二开关触点（Kb）和第四IGBT（T4）的发射极相连，第一IGBT（T1）的发射极作为第一输出端子（A），单刀双掷开关K1的刀片作为第二输出端子（B）。

3.根据权利要求1所述H桥和半H桥通用电路模块，其特征在于，所述可控功率半导体器件为MOSFET，四个二极管（D1~D4）分别反并联在四个MOSFET （T1~T4）的漏极和源极之间，第一MOSFET（T1）的源极和第二MOSFET（T2）的漏极相连，第三MOSFET（T3）的源极和第四MOSFET（T4）的漏极相连，第一MOSFET（T1）的漏极和第一电解电容（C1）的正极相连，第二MOSFET（T2）的源极和第一电解电容（C1）的负极相连，第三MOSFET（T3）的漏极和第二电解电容（C2）的正极相连，第四MOSFET（T4）的源极和第二电解电容（C2）的负极相连，第一双向可控开关（S1）的两端分别和第一MOSFET（T1）的漏极和第三MOSFET（T3）的漏极相连，第二双向可控开关（S2）的两端分别和第二MOSFET（T2）的源极和第四MOSFET（T4）的源极相连，第三双向可控开关（S3）的两端分别和第二MOSFET（T2）的源极和第四MOSFET（T4）的漏极相连，单刀双掷开关（K1）第一开关触点（Ka）和第四MOSFET（T4）的漏极相连，第二开关触点（Kb）和第四MOSFET（T4）的源极相连，第一MOSFET（T1）的源极作为第一输出端子（A），单刀双掷开关（K1）的刀片作为第二输出端子（B）。

4.根据权利要求1所述H桥和半H桥通用电路模块，其特征在于，所述可控功率半导体器件为SCR，四个二极管（D1~D4）分别反并联在四个SCR（T1~T4）的阳极和阴极之间，第一SCR（T1）的阴极和第二SCR（T2）的阳极相连，第三SCR（T3）的阴极和第四SCR（T4）的阳极相连，第一SCR（T1）的阳极和第一电解电容（C1）的正极相连，第二SCR（T2）的阴极和第一电解电容（C1）的负极相连，第三SCR（T3）的阳极和第二电解电容（C2）的正极相连，第四SCR（T4）的阴极和第二电解电容（C2）的负极相连，第一双向可控开关（S1）的两端分别和第一SCR（T1）的阳极和第三SCR（T3）的阳极相连，第二双向可控开关（S2）的两端分别和第二SCR（T2）的阴极和第四SCR（T4）的阴极相连，第三双向可控开关（S3）的两端分别和第二SCR（T2）的阴极和第四SCR（T4）的阳极相连，单刀双掷开关（K1）第一开关触点（Ka）和第四SCR（T4）的阳极相连，第二开关触点（Kb）和第四SCR（T4）的阴极相连，第一SCR（T1）的阴极作为第一输出端子（A），单刀双掷开关（K1）的刀片作为第二输出端子（B）。