CN102916603A - 包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器及其充电方法,属于电能变换领域,用于直流到交流电能形式的变换。其组成包括开关、充电电阻、十个功率开关器件以及三个电容。切换开关和充电电阻并联后串联在直流输入电源和单相不对称多电平逆变器的直流正极输入端之间。在初始上电时刻,切换开关断开,由直流输入电源通过充电电阻为直流输入端的两个串联电容充电,在两个串联电容完成充电后,采集悬浮电容的电压,并将用于连接悬浮电容和逆变器的正极母线的两个功率开关器件以及连接悬浮电容和逆变器的负极母线的两个功率开关器件导通,在悬浮电容的电压等于直流电源电压的1/4时,关断导通的功率开关器件,并闭合切换开关。本发明具有结构紧凑、成本较低,实现容易以及效率高、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器及其充电方法,属于电能变换领域,用于将直流电压转换为交流电压。
背景技术
多电平功率变换技术通过将直流电压转换为多种电平进而实现直流到交流的转换,与两电平直流-交流变换技术相比,具有更低的电压变化率应力和更小的电压谐波含量。随着全控型开关器件的成熟应用及IECT、IGCT等新型全控型器件的出现,以及以DSP、FPGA以核心的高性能数字控制技术的普及,多电平逆变器的研究与应用得到了迅猛发展,近年已经成为研究热点。
根据主电路的拓扑结构,目前可将多电平逆变器分为二极管钳位、飞跨电容钳位与单元级联三类。单元级联型多电平逆变器可以通过采用较低电压等级的功率开关器件串联的方法实现中高压的输出;每个功率单元可以采用比较低的开关频率,而串联后的等效开关频率可以得到成倍数的提高,可以大大减少开关损耗、降低和输出谐波含量。二极管嵌位型多电平逆变器通过二极管将输出电压限制在某些特定的电平,进而实现多电平输出。而飞跨电容钳位多电平逆变器采用多个电容悬浮的形式,通过控制各个飞跨电容的电压,进而无需多个用于电平钳位的二极管,就可以实现多电平电压输出。
多电平逆变器在获得较低电压变化率应力,更低的电压谐波含量的同时,由于其使用的开关器件和储能器件数量较多,一方面造成其成本较高,体积较大,另一方面造成功率器件的总损耗明显提高,***效率下降明显,同时也为***散热带来较大难度。需要研究开发在获得多电平输出电压的同时,能够使用更少功率器件的多电平功率变换技术,以降低***体积和成本,提高***效率,实现***的高效率节能运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器及其充电方法,以解决包含悬浮电容的不对称多电平逆变器的初始上电过程的悬浮电容的充电问题。
一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器,其组成包括电容C1(1),电容C2(2),功率开关管V1(3),功率开关管V2(4),功率开关管V3(5),功率开关管V4(6),功率开关管V5(7),功率开关管V7(8),功率开关管V8(9),功率开关管V6(10),电容C3(11),功率开关管V9(12),功率开关管V10(13),开关K1(14),充电电阻R1(15),直流电压检测电路(16),控制器(17),隔离驱动电路(18);
所述的电容C1(1)的一端与电容C2(2)的一端,V2(4)的功率输出端以及V3(5)的功率输入端相连,C2(2)的另一端与外部输入的直流电源的负极,V4(6)的功率输出端以及V10(13)的功率输出端相连, V1(3)的功率输出端与V2(4)的功率输入端以及V5(7)的功率输入端相连,V3(5)的功率输出端与V4(6)的功率输入端以及V8(9)的功率输出端相连,V5(7)的功率输出端与电容C3(11)的一端以及V7(8)的功率输入端相连,V6(10)的功率输入端与电容C3(11)的另一端以及V8(9)功率输出端相连,V7(8)的功率输出端与V8(9)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的一个端口,V9(12)的功率输出端和V10(13)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的另一个端口;开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的一端以及外部输入的直流电源的正极相连,开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的另一端以及电容C1(1)的另一端,V1(3)的功率输入端以及V9(12)的功率输入端相连;
直流电压检测电路(16)用于检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,直流电压检测电路(16)的输出端与控制器(17)的输入端相连,控制器(17)的输出端与隔离驱动电路(18)的输入端相连,隔离驱动电路(18)的输出端分别与开关K1(14)的控制端、功率开关管V1(3)的控制信号输入端、功率开关管V5(7)的控制信号输入端、功率开关管V4(6)的控制信号输入端以及功率开关管V6(10)的控制信号输入端相连。
包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器的充电方法的控制步骤为:
一、在初始上电时,开关K1(14)断开,通过直流电压检测电路(16)分别检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,并将其转换为检测到低电压信号输入到控制器(17)中;
二、在控制器(17)中,将电容C1(1)的电压和电容C2(2)的电压相加,所获得的电压和与直流输入电源电压相减,当所述的电压和与直流输入电源电压的差相差小于较小差值时,说明电容C1(1)和电容C2(2)已经充电完毕,执行步骤三;
三、令功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10)导通,电容C3(11)开始充电,在电容C3(11)的电压为直流输入电源电压的1/4时,关断功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10),同时令开关K1(14)闭合,将充电电阻R1(15)短路,至此充电过程结束。
本发明所具有的优点:(1)在获得相同电平数的输出电压波形的前提下,本发明由于采用新的不对称多电平逆变器拓扑,无需现有方案中的二极管箝位型多电平逆变器中的钳位二极管,相比于现有方案中的飞跨电容式多电平逆变器,储能电容和功率开关器件的数量均有所降低;(2)只需在多电平逆变器中加入充电电阻和短路开关,借助逆变器中现有的功率开关器件实现对两个串联电容和一个悬浮电容的预充电控制,无需额外增加充电电源或者预充电电路,因此本发明具有结构紧凑、成本较低以及效率较高等优点。
附图说明
图1是本发明的原理图;
图2为逆变器输出电压为0的等效电路;
图3为逆变器输出电压为1/4的等效电路;
图4为逆变器输出电压为1/2的等效电路;
图5为逆变器输出电压为3/4的等效电路;
图6为逆变器输出电压为1的等效电路;
图7是本发明的充电方法的流程图;
图8是本发明的为电容C1(1),电容C2(2)充电过程的等效电路原理图;
图9是本发明的为电容C3(11)充电过程的等效电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式一:下面结合图1至图6具体说明本实施方式。图1为包含预充电电路的单相不对称九电平逆变器的原理图,一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器,其组成包括电容C1(1),电容C2(2),功率开关管V1(3),功率开关管V2(4),功率开关管V3(5),功率开关管V4(6),功率开关管V5(7),功率开关管V7(8),功率开关管V8(9),功率开关管V6(10),电容C3(11),功率开关管V9(12),功率开关管V10(13),开关K1(14),充电电阻R1(15),直流电压检测电路(16),控制器(17),隔离驱动电路(18);
所述的电容C1(1)的一端与电容C2(2)的一端,V2(4)的功率输出端以及V3(5)的功率输入端相连,C2(2)的另一端与外部输入的直流电源的负极,V4(6)的功率输出端以及V10(13)的功率输出端相连, V1(3)的功率输出端与V2(4)的功率输入端以及V5(7)的功率输入端相连,V3(5)的功率输出端与V4(6)的功率输入端以及V8(9)的功率输出端相连,V5(7)的功率输出端与电容C3(11)的一端以及V7(8)的功率输入端相连,V6(10)的功率输入端与电容C3(11)的另一端以及V8(9)功率输出端相连,V7(8)的功率输出端与V8(9)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的一个端口,V9(12)的功率输出端和V10(13)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的另一个端口;开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的一端以及外部输入的直流电源的正极相连,开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的另一端以及电容C1(1)的另一端,V1(3)的功率输入端以及V9(12)的功率输入端相连;
直流电压检测电路(16)用于检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,直流电压检测电路(16)的输出端与控制器(17)的输入端相连,控制器(17)的输出端与隔离驱动电路(18)的输入端相连,隔离驱动电路(18)的输出端分别与开关K1(14)的控制端、功率开关管V1(3)的控制信号输入端、功率开关管V5(7)的控制信号输入端、功率开关管V4(6)的控制信号输入端以及功率开关管V6(10)的控制信号输入端相连。
下面具体分析本发明的单相不对称九电平逆变器的工作原理。首先分析V9关断,V10导通的情况。假设输入端的直流电压为1,由于输入端的电容C1和C2串联,且容值相等,则两个电容的电压值均为1/2,再由电容C3的电压为1/4,则在功率器件V4,V6,V8,V10导通时,其输出电压为0,其等效电路如图2所示。在V4,V6,V7,V10导通时,其输出电压为1/4,其等效电路如图3所示。在V3,V6,V8,V10导通时,其输出电压为1/2,其等效电路如图4所示。在V1,V5,V8,V10导通时,其输出电压为3/4,其等效电路如图5所示。在V1,V5,V7,V10导通时,其输出电压为1,其等效电路如图6所示。以此类推,在V9导通,V10关断时,逆变器输出为负的四种电平,共有9种输出电压,相对应的导通的功率器件列于表1。
表1 各个输出电平对应的功率器件列表
编号 | 输出电平 | 导通的功率器件 |
1 | 1 | V1,V5,V7,V10 |
2 | 3/4 | V1,V5,V8,V10 |
3 | 1/2 | V3,V6,V8,V10 |
4 | 1/4 | V4,V6,V7,V10 |
5 | 0 | V4,V6,V8,V10 |
6 | -1/4 | V1,V5,V8,V9 |
7 | -1/2 | V2,V5,V7,V9 |
8 | -3/4 | V4,V6,V7,V9 |
9 | -1 | V4,V6,V8,V9 |
由上述分析可知,通过对相应的功率器件进行控制,即可实现将直流电压转换为多电平输出电压。
而在初始上电时,涉及到逆变器中包含的三个电容的预充电问题,若直接与直流电源相连,则由于电容的瞬间短路的特性,造成瞬间从直流电源抽取的充电电路过大,容易造成直流电源的损坏。另外,本发明中的逆变器之所以能够输出九电平的电压波形,正是由于悬浮电容的电压是直流输入电源电压的1/4,因此需要在初始上电时将其电压充至直流输入电源电压的1/4。
因此在直流电源和逆变器的正极输入端之间串联开关K1(14)和充电电阻R1(15),开关K1(14)和充电电阻R1(15)并联,在初始上电时由充电电阻为三个电容充电,在充电完成后由开关K1(14)将充电电阻R1(15)短路,避免造成无谓的损耗。
具体实施方式二:下面结合图7至图9具体说明本实施方式。包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器的充电方法的流程图如图7所示,其控制步骤为:
一、在初始上电时,开关K1(14)断开,通过直流电压检测电路(16)分别检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,并将其转换为检测到低电压信号输入到控制器(17)中;
二、在控制器(17)中,将电容C1(1)的电压和电容C2(2)的电压相加,所获得的电压和与直流输入电源电压相减,当所述的电压和与直流输入电源电压的差相差小于较小差值时,说明电容C1(1)和电容C2(2)已经充电完毕,执行步骤三;
三、令功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10)导通,电容C3(11)开始充电,在电容C3(11)的电压为直流输入电源电压的1/4时,关断功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10),同时令开关K1(14)闭合,将充电电阻R1(15)短路。
在初始上电时,通过充电电阻R1(15)为电容C1(1)和电容C2(2)充电,逆变器的等效电路如图8所示。在电容C1(1)和电容C2(2)充电完成后,应有二者的电压和等于直流电源电压,接下来为电容C3(11)充电,将功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10),同时令开关K1(14)闭合,以便将电容C3(11)与直流电源接通,利用充电电阻R1(15)进行充电电流的限制,并给定充电电压为1/4的直流电源电压,逆变器的等效电路如图9所示。在电容C3(11)的电压为直流输入电源电压的1/4时,关断功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10),同时令开关K1(14)闭合,将充电电阻R1(15)短路,至此充电过程结束。
Claims (2)
1. 一种包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器,其特征在于,其组成包括电容C1(1),电容C2(2),功率开关管V1(3),功率开关管V2(4),功率开关管V3(5),功率开关管V4(6),功率开关管V5(7),功率开关管V7(8),功率开关管V8(9),功率开关管V6(10),电容C3(11),功率开关管V9(12),功率开关管V10(13),开关K1(14),充电电阻R1(15),直流电压检测电路(16),控制器(17),隔离驱动电路(18);
所述的电容C1(1)的一端与电容C2(2)的一端,V2(4)的功率输出端以及V3(5)的功率输入端相连,C2(2)的另一端与外部输入的直流电源的负极,V4(6)的功率输出端以及V10(13)的功率输出端相连, V1(3)的功率输出端与V2(4)的功率输入端以及V5(7)的功率输入端相连,V3(5)的功率输出端与V4(6)的功率输入端以及V8(9)的功率输出端相连,V5(7)的功率输出端与电容C3(11)的一端以及V7(8)的功率输入端相连,V6(10)的功率输入端与电容C3(11)的另一端以及V8(9)功率输出端相连,V7(8)的功率输出端与V8(9)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的一个端口,V9(12)的功率输出端和V10(13)的功率输入端相连,并作为交流电压输出的另一个端口;开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的一端以及外部输入的直流电源的正极相连,开关K1(14)的一端与充电电阻R1(15)的另一端以及电容C1(1)的另一端,V1(3)的功率输入端以及V9(12)的功率输入端相连;
直流电压检测电路(16)用于检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,直流电压检测电路(16)的输出端与控制器(17)的输入端相连,控制器(17)的输出端与隔离驱动电路(18)的输入端相连,隔离驱动电路(18)的输出端分别与开关K1(14)的控制端、功率开关管V1(3)的控制信号输入端、功率开关管V5(7)的控制信号输入端、功率开关管V4(6)的控制信号输入端以及功率开关管V6(10)的控制信号输入端相连。
2. 根据权利要求1所述的包含预充电电路的单相不对称多电平逆变器的充电方法,其特征在于,其控制步骤为:
一、在初始上电时,开关K1(14)断开,通过直流电压检测电路(16)分别检测直流输入电源、电容C1(1)、电容C2(2)以及电容C3(11)的电压,并将其转换为检测到低电压信号输入到控制器(17)中;
二、在控制器(17)中,将电容C1(1)的电压和电容C2(2)的电压相加,所获得的电压和与直流输入电源电压相减,当所述的电压和与直流输入电源电压的差相差小于较小差值时,说明电容C1(1)和电容C2(2)已经充电完毕,执行步骤三;
三、令功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10)导通,电容C3(11)开始充电,在电容C3(11)的电压为直流输入电源电压的1/4时,关断功率开关管V1(3)、功率开关管V5(7)、功率开关管V4(6)以及功率开关管V6(10),同时令开关K1(14)闭合,将充电电阻R1(15)短路,至此充电过程结束。
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