CN103595281A - 一种五电平电压源型变换装置 - Google Patents

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刘战
李�浩
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Abstract

本发明公开了一种五电平电压源型变换装置，属于电力电子变换装器领域。包括电容器C1、电容器C2、电容器Cph，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）、第四接线端（4），以及十二个绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12。本五电平电压源型变换装置中的所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管，所用电容器的数量少，不需箝位二极管，结构简单、控制灵活。

Description

一种五电平电压源型变换装置
技术领域
本发明涉及一种五电平电压源型变换装置，属于电力电子变换装器领域。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和控制技术的全面发展，电力电子装置已经被广泛使用，人们对电力电子装置的大功率、耐高压、低谐波扰动的要求越来越高。多电平变换装置具有功率大、开关频率低、输出谐波小、动态响应速度快、电磁兼容性好等优点，并可以使耐压值低的电力电子器件可靠应用于高压大功率领域，并有效地减少脉宽调制简称PWM控制产生的高次谐波。但是，由于公知的二极管钳位型五电平变换装置的二极管数目较多、电容飞跨型五电平变换装置控制复杂、H桥级联型五电平变换装置需要独立的直流源等五电平变换装置都存在固有缺点，抑制了五电平变换装置在实际中的推广和使用。
五电平变换转置在实际的应用中还必须考虑到均压的因素，不同型号的绝缘栅双极晶体管由于其内部的寄生电感和寄生电容不相同，从而导致相串联的两个不同型号的绝缘栅双极晶体管两端的电压不同，最终可能导致绝缘栅双极晶体管的损坏，因此不同型号的绝缘栅双极晶体管不可以串联使用；同时，在设计安装时，由于不同型号的绝缘栅双极晶体管在尺寸上会有所不同，因此在实际的使用中也不可以混合使用。所以一个实用的五电平变换装置不但在理论上要可行，在实际的使用中也必须具有实用性的特点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种五电平电压源型变换装置，结构简单、控制灵活的五电平电压源型变换装置，所用电容器的数量少，不需箝位二极管，每个绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同。
为了实现上述目的，本五电平电压源型变换装置包括电容器C1、电容器C2、电容器Cph，第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端，以及十二个绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12；
第一接线端和电容器C1与绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接；
第二接线端、电容器C1、电容器C2和绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT5的集电极连接；
第三接线端和电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极、绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极分别连接于电容器Cph的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的集电极与第四接线端连接。
每个绝缘栅双极晶体管也可以由集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管替换使用。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为直流输入端，第四接线端、第五接线端、第六接线端为三相交流的输出端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为直流输入端，第四接线端、第五接线端、第六接线端为三相交流的输出端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为三相交流的输入端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为三相交流的输入端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为三相交流的输入端，第四接线端、第五接线端、第六接线端为三相交流的输出端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
第一接线端、第二接线端、第三接线端为三相交流的输入端，第四接线端、第五接线端、第六接线端为三相交流的输出端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
与现有技术相比，本五电平电压源型变换装置的两个电容器C1、C2两端的电压为直流母线电压的1/2，电容器Cph两端的电压为直流母线电压的1/4，则每个绝缘栅双极晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，因此，本发明中所用的电容器的数量少，不需要箝位二极管，结构简单、控制灵活；所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管，使得在开关管的选型上会非常方便，只需选择同一型号的开关管；另外所有开关管的封装相同，在开关管的设计和安装上会更加的方便。
附图说明
图1是本发明的五电平电压源型变换装置拓扑结构图；
图2是根据本发明实施例一的拓扑结构图；
图3是根据本发明实施例二的拓扑结构图；
图4是根据本发明实施例三的拓扑结构图；
图5是根据本发明实施四例的拓扑结构图；
图6是根据本发明实施例五的拓扑结构图；
图7是根据本发明实施例六的拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作具体的说明。
如图1所示，本五电平电压源型变换装置包括电容器C1、电容器C2、电容器Cph，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3、第四接线端4，以及十二个绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12；
第一接线端1和电容器C1与绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接；
第二接线端2、电容器C1、电容器C2和绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT5的集电极连接；
第三接线端3和电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极、绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极分别连接于电容器Cph的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的集电极与第四接线端4连接。
通过控制不同绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12的导通与关断可以实现五个电平电压的输出。
具体实施时，每个绝缘栅双极晶体管可以是单个绝缘栅双极晶体管集成在一个模块中，也可以是其中的两个开关管集成在一个模块中，具体的方法如下，IGBT1、IGBT2集成到一个模块中，IGBT3、IGBT4集成到一个模块中，IGBT5、IGBT6集成到一个模块中，IGBT7、IGBT8集成到一个模块中，IGBT9、IGBT11集成到一个模块中，IGBT10、IGBT12集成到一个模块中，如图1中一个虚线框代表一个模块。
本发明在具体实施时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12、电容器Cph、驱动板、控制板集成到一个较大模块中。
每个绝缘栅双极晶体管也可由其他全控型器件替换使用，其他全控型器件包括集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管。
第一接线端1与第三接线端3之间的电压为直流母线电压。
本发明的五电平电压源型变换装置在稳定运行时，电容器C1、C2两端的电压需控制在直流母线电压的1/2，电容器Cph两端的电压需控制在直流母线电压1/4。当电容器C1、C2两端的电压为直流母线电压的1/2，电容器Cph两端的电压为直流母线电压1/4时，则每个绝缘栅双极晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4。因此，本发明中的所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管。
图2是本发明的实施例一，实施例一是由本发明的变换装置组成的三相逆变器拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把直流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为直流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施例的特点是每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相的直流母线电容靠近该相桥臂安装，有利于减小直流母线电容到桥臂的杂散电感值，更有利于***的稳定。
图3是本发明的实施例二，实施例二是由本发明的变换装置组成的三相逆变器拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把直流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为直流输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施例的特点是所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端，有利于减少电容器的数量，***的结构更简单，装置的体积更小。
图4是本发明的实施例三，实施例三是由本发明的变换装置组成的三相整流器拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把三相交流电转换成直流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为三相交流的输入端，该实施例的特点是每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相的直流母线电容靠近该相桥臂安装，有利于减小直流母线电容到桥臂的杂散电感值，有利于***的稳定，该实施例的拓扑结构可以应用于整流装置，有源滤波器以及静止无功补偿装置中。
图5是本发明的实施例四，实施例四是由本发明的变换装置组成的三相整流器拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把三相交流电转换成直流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为三相交流的输入端，该实施例的特点是所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端，有利于减少电容器的数量，***的结构更简单，装置的体积更小，该实施例的拓扑结构可以应用于整流装置，有源滤波器以及静止无功补偿装置中。
图6是本发明的实施例五，实施例五是由本发明的变换装置组成的三相背靠背五电平拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把三相交流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为三相交流的输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施例的特点是每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相的直流母线电容靠近该相桥臂安装，有利于减小直流母线电容到桥臂的杂散电感值，有利于***的稳定。
图7是本发明的实施例六，实施例六是由本发明的变换装置组成的三相背靠背五电平拓扑结构电路，该实施例转换电路的功能是把三相交流电转换成三相交流电，第一接线端1、第二接线端2、第三接线端3为三相交流的输入端，第四接线端4、第五接线端5、第六接线端6为三相交流的输出端，该实施例的特点是所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端，有利于减少电容器的数量，***的结构更简单，使得装置的体积更小。
本五电平电压源型变换装置的两个电容器C1、C2两端的电压为直流母线电压的1/2，电容器Cph两端的电压为直流母线电压的1/4，则每个绝缘栅双极晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，因此，本发明中的所有绝缘栅双极晶体管承受的耐压相同，使用时可选用同一型号绝缘栅双极晶体管，所用电容器的数量少，不需箝位二极管，结构简单、控制灵活。

Claims (8)

1.一种五电平电压源型变换装置，包括电容器C1、电容器C2、电容器Cph，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）、第四接线端（4），以及十二个绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12；
其特征在于，第一接线端（1）和电容器C1与绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极连接；
第二接线端（2）、电容器C1、电容器C2和绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT5的集电极连接；
第三接线端（3）和电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极连接，绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极、绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极分别连接于电容器Cph的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT12的集电极与第四接线端（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，每个绝缘栅双极晶体管也可以由集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管和电力场效应晶体管替换使用。
3.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为直流输入端，第四接线端（4）、第五接线端（5）、第六接线端（6）为三相交流的输出端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
4.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为直流输入端，第四接线端（4）、第五接线端（5）、第六接线端（6）为三相交流的输出端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
5.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为三相交流的输入端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
6.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为三相交流的输入端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
7.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为三相交流的输入端，第四接线端（4）、第五接线端（5）、第六接线端（6）为三相交流的输出端，每个桥臂中均安装有直流母线电容，每相直流母线电容靠近该相桥臂安装。
8.根据权利要求1或2所述的一种五电平电压源型变换装置，其特征在于，第一接线端（1）、第二接线端（2）、第三接线端（3）为三相交流的输入端，第四接线端（4）、第五接线端（5）、第六接线端（6）为三相交流的输出端，所有桥臂共用一个直流母线电容，直流母线电容安装在直流母线的输入端。
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