CN112688584A - 一种三电平拓扑anpc四象限运行调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，方法是采用高频调制信号驱动功率器件的PWM驱动信号；零电平续流开始时，先使用1条短续流路径强迫换流，后再额外开通1条续流路径，均衡损耗；零电平续流结束时，先关断额外开通的续流路径，迫使电流重新从短续流路径续流；输出正/负电平时，适时开通箝位管，对两串联承压开关管进行可靠的双向箝位。调制方式一方面优化了零电平续流方式及续流回路，降低了功率器件开关损耗，均衡了整流、逆变及四象限运行时各种工况下功率器件的损耗分布，另一方面可靠箝位承压功率器件实现均压的优势，具有结构简单、实现方案灵活、功率变换效率高、四象限运行损耗均衡的特点。

Description

一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及ANPC功率电路拓扑的一种PWM调制技术，特别涉及一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法。
背景技术
得益于电力电子技术的高速发展，多电平技术得到了越来越广泛的应用，其中二极管箝位型(NPC)三电平技术是低压(3kV以下)应用中使用最为普遍的一种电力电子功率变换技术。这种结构可以不使用变压器，结构更加紧凑、成本较低，但是这种结构存在功率器件(主要是指IGBT)损耗不均衡的问题，限制了***容量的提升，而且考虑到成本等因素，功率器件集成化程度很高，损耗一旦不均衡就会严重影响***的稳定性。
为了解决这个问题，有源中点箝位(ANPC)型三电平技术近些年得到了越来越多的关注和应用，这种结构可以实现功率器件损耗的均衡，有很大的优势。
目前针对ANPC三电平技术的应用，主要集中在新能源领域，其PWM调制方法仅需考虑逆变应用下的损耗均衡即可，较少考虑整流及四象限条件下的应用。
发明内容
针对上述背景技术的阐述，本发明提供一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，本发明是基于三电平拓扑ANPC在四象限条件下运行时可有效均衡各功率器件损耗的PWM调制方法，有效解决在四象限运行条件下各功率器件损耗均衡的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，包括以下步骤：
采用高频调制信号驱动功率器件的PWM驱动信号；
零电平续流开始时，先使用一条短续流路径强迫换流，后再额外开通一条续流路径，均衡损耗；
零电平续流结束时，先关断额外开通的续流路径，迫使电流重新从短续流路径续流；
输出正/负电平时，适时开通箝位管，对两串联承压开关管进行可靠的双向箝位。
作为本发明的进一步改进，所述的三电平拓扑ANPC包括六个功率器件，六个功率器件分别包括开关管G1和二极管D1、开关管G2和二极管D2，开关管G3和二极管D3、开关管G4和二极管D4，开关管G5和二极管D5、开关管G6和二极管D6。
作为本发明的进一步改进，零电平续流开始，开关管G1/开关管G4管关断后延迟一个死区时间T1，先开通开关管G5、开关管G6，当电流流过二极管D2、二极管D1向正母线续流时迫使续流路径由二极管D2、二极管D1管变为二极管D2、开关管G5管，向中性点续流；当电流流过二极管D4、二极管D3向负母线续流时迫使续流路径由二极管D4、二极管D3管变为开关管G6、二极管D3管，向中性点续流；然后再延迟一个死区时间T2开通开关管G2、开关管G3管，额外开通二极管D5、开关管G2，开关管G3、二极管D6两个续流回路。
作为本发明的进一步改进，零电平续流结束时，先关断开关管G2、开关管G3管，延迟一个死区时间T3后再关断开关管G5、开关管G6管，再延迟一个死区时间T4后再开通开关管G1/开关管G4管，退出零电平续流状态。
作为本发明的进一步改进，所述输出正/负电平时，在开关管G1/开关管G4管导通之后延迟一个死区时间T1开通开关管G6/开关管G5管，对开关管G3、开关管G4/开关管G1、开关管G2管进行均压箝位；在开关管G1/开关管G4管关断前提前一个死区时间T4关断开关管G6/开关管G5管。
作为本发明的进一步改进，所述高频调制信号频率为6kHz～20kHz。
作为本发明的进一步改进，所述三电平拓扑ANPC包括两个电容和多个功率器件；两个串联的两个电容串联设置在直流侧；功率器件包括开关管及其反并联二极管；
其中，第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件和第四功率器件依次串联，第一功率器件与第一电容正极端连接，第四功率器件与第二电容负极端连接；
第五功率器件和第六功率器件并联，第五功率器件和第六功率器件的中点连接两个电容中点，第五功率器件和第六功率器件分别连接第一功率器件和第二功率器件的中点、第三功率器件和第四功率器件的中点；
第二功率器件和第三功率器件中点连接输出点AC端。
作为本发明的进一步改进，所述功率器件为IGBT或MOSFET。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的方法考虑四象限运行的工况，优化了零电平续流方式及续流回路，降低了功率器件的开关损耗，均衡了四象限运行电压电流不同相位时功率器件的损耗分布，输出正/负电平时开通箝位管，可靠地对承压串联功率器件进行双向均压，具有结构简单、实现方案灵活、功率变换效率高、四象限运行时功率器件损耗均衡的特点。
本发明三电平有源中点箝位(ANPC)功率电路拓扑，具备四象限运行能力的功率器件驱动PWM信号调制方法。该调制方法所有功率器件全部使用高频调制信号驱动，零电平状态下续流时，先开通开关管G5、开关管G6管，采用短续流路径，降低了功率器件的开关损耗，提高了效率；再开通开关管G2、开关管G3管，额外再开通1条零电平续流回路，不同功率器件的损耗得到了较好的均衡。输出正/负电平时，适时导通开关管G6/开关管G5管，可靠箝位开关管G3、开关管G4/开关管G1、开关管G2所承受的电压。所述调制方法相较于目前得到较多应用的其它调制方式，一方面优化了零电平续流方式及续流回路，降低了功率器件开关损耗，均衡了整流、逆变及四象限运行时各种工况下功率器件的损耗分布，另一方面保留了三电平拓扑ANPC输出正/负电平时开关管G5、开关管G6管导通，可靠箝位承压功率器件实现均压的优势，具有结构简单、实现方案灵活、功率变换效率高、四象限运行损耗均衡的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是ANPC三电平功率电路拓扑示意图；
图2是零电平续流示意图；
图3是正/负电平有源箝位示意图；(a)为正电平有源箝位，(b)为负电平有源箝位；
图4是功率器件PWM调制信号示意图；
图5是调制信号死区示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种三电平拓扑ANPC，包括两个电容和多个功率器件；两个串联的两个电容串联设置在直流侧；功率器件包括开关管及其反并联二极管；
串联的两个电容(C1、C2)，与两个电容两端存在连接关系的四个开关管(开关管G1、开关管G2、开关管G3、开关管G4)及其反并联二极管(二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4)，与两个电容(C1、C2)中点存在连接关系的两个开关管(开关管G5、开关管G6)及其反并联二极管(二极管D5、二极管D6)；
其中，第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件和第四功率器件依次串联，第一功率器件与第一电容正极端连接，第四功率器件与第二电容负极端连接；
第五功率器件和第六功率器件并联，第五功率器件和第六功率器件的中点连接两个电容中点，第五功率器件和第六功率器件分别连接第一功率器件和第二功率器件的中点、第三功率器件和第四功率器件的中点；
第二功率器件和第三功率器件中点连接输出点AC端。
本发明的一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，所有功率器件的PWM驱动信号均采用高频调制信号驱动，不再区分高频开关管和工频开关管。零电平续流开始时，先使用1条短续流路径强迫换流，后再额外开通1条续流路径，均衡损耗；零电平续流结束时，先关断额外开通的续流路径，迫使电流从短续流路径续流。输出正/负电平时，适时开通箝位管，对两串联承压开关管进行可靠的双向箝位。
其中，四象限运行是指交流AC侧电压的相位与实际电流的相位差可在0°～360°范围内任意变化，不局限于整流或者逆变(即电压与电流同相或反相)。
高频调制信号是相对于工频50Hz而言，实际使用的开关频率取决于功率器件的开关特性和实际应用的需求。
零电平续流状态开始时，在开关管G1/开关管G4管关断后延迟一个死区时间TD14，先开通开关管G5、开关管G6管，由正负母线续流变为向中性点续流；然后再延迟一个死区时间TU23开通开关管G2、开关管G3管，额外提供一条续流回路，保证四象限运行电压与电流相位变化时零电平续流稳态状态下有两条续流回路可供使用，均衡功率器件的损耗。
零电平续流状态结束时先关断开关管G2、开关管G3管，延迟一个死区时间TD23后再关断开关管G5、开关管G6管，再延迟一个死区时间TU14后再开通开关管G1/开关管G4管，退出零电平续流状态，保证各开关管开通关断顺序一致。
在开关管G1/开关管G4管导通输出正/负电平之后延迟一个死区时间Tclamp开通开关管G6/开关管G5管，分别对开关管G3、开关管G4/开关管G1、开关管G2管进行均压箝位；在开关管G1/开关管G4管关断前提前一个死区时间Tclamp关断开关管G6/开关管G5管。
零电平续流时，开关管G5、开关管G6管同时开通及关断，使用同一调制信号控制。
输出正电平时，开关管G6管开通用于对开关管G3、开关管G4管均压箝位，此时开关管G5管处于关断状态；输出负电平时，开关管G5管开通用于对开关管G1、开关管G2管均压箝位，此时开关管G6管处于关断状态。
输出正/负电平时，开关管G2/开关管G3管一直处于导通状态，保证续流通路。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
根据图1所示，本发明述及的调制方法，适用于图中三电平拓扑ANPC6个功率器件G1～开关管G6的开通、关断控制，从而实现功率变换。本发明提出的一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，零电平状态下续流时，先开通开关管G5、开关管G6管，使用1条短续流路径进行续流；再开通开关管G2、开关管G3管，额外又开通了1条续流回路。输出正/负电平时，适时导通开关管G6/开关管G5管，可靠箝位开关管G3、开关管G4/开关管G1、开关管G2所承受的电压。
根据图2所示，零电平续流可以分为如图所示的4种工况。其中电压正半周是指输出点AC端的电压在正电平VDC和零电平VAC/2间切换的半个工频周期内；电压负半周是指输出点AC端的电压在负电平0和零电平VAC/2间切换的半个工频周期内。电流正半周是指电流流出AC端；电流负半周是指电流由AC端流入。
工况①电压正半周电流正半周时，电流首先按照图中实线的路径流出，在开关管G1关断进入零电平续流状态时，电流会自动切换为续流回路1，由二极管D5续流二极管进行短续流路径续流。延迟一个死区时间后开关管G5、开关管G6导通，此时会额外开通续流回路2即经由开关管G6、二极管D3续流，保证零电平状态有两条路径可进行续流，均衡各功率器件的损耗。
工况②电压负半周电流负半周时，电流首先按照图中实线的路径流入，在开关管G4关断进入零电平续流状态时，电流会自动切换为续流回路1，由二极管D5续流二极管进行短续流路径续流。延迟一个死区时间后开关管G5、开关管G6导通，此时会额外开通续流回路2即经由二极管D2、开关管G5续流，保证零电平状态有两条路径可进行续流，均衡各功率器件的损耗。
工况③电压正半周电流负半周时，电流仍将从二极管D2、二极管D1续流二极管流入正母线，延迟一个死区时间后开关管G5、开关管G6导通，此时电流会向续流回路1切换，变为二极管D2、开关管G5续流，电流流入中性点；再延迟一个死区时间后开关管G2、开关管G3导通，此时会额外开通续流回路2即经由开关管G3、二极管D6续流，保证零电平状态有两条路径可进行续流，均衡各功率器件的损耗。
工况④电压负半周电流正半周时，电流仍将从二极管D4、二极管D3续流二极管流出负母线，延迟一个死区时间后开关管G5、开关管G6导通，此时电流会向续流回路1切换，变为开关管G6、二极管D3续流，电流从中性点流出；再延迟一个死区时间后开关管G2、开关管G3导通，此时会额外开通续流回路2即经由二极管D5、开关管G2续流，保证零电平状态有两条路径可进行续流，均衡各功率器件的损耗。
根据图3所示，输出正/负电平时分别开通开关管G6/开关管G5对承压功率器件进行均压箝位。
输出正电平时开关管G1、开关管G2导通，此时开关管G3、开关管G4串联承担全母线电压VDC，开关管G1、开关管G2导通延迟一个死区时间后开通开关管G6，此时开关管G3、开关管G4连接点被可靠箝位至中性点VDC/2，均分母线电压。
输出负电平时开关管G3、开关管G4导通，此时开关管G1、开关管G2串联承担全母线电压VDC，开关管G3、开关管G4导通延迟一个死区时间后开通开关管G5，此时开关管G1、开关管G2连接点被可靠箝位至中性点VDC/2，均分母线电压。
根据图4、图5所示，电压正半周时开关管G1、开关管G3、开关管G5以开关频率开通、关断，开关管G1与开关管G3、开关管G5互补，开关管G1关断与开关管G5开通相差一个死区时间TD14，开关管G5开通与开关管G3开通相差一个死区时间TU23，开关管G3关断与开关管G5关断相差一个死区时间TD23，开关管G5关断与开关管G1开通相差一个死区时间TU14。在正半周期间输出正电平时，开关管G6开通与开关管G1开通、开关管G6关断与开关管G1关断相差一个死区时间Tclamp，电压负半周时类似，不再赘述。
以上披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (8)

1.一种三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用高频调制信号驱动功率器件的PWM驱动信号；
零电平续流开始时，先使用一条短续流路径强迫换流，后再额外开通一条续流路径，均衡损耗；
零电平续流结束时，先关断额外开通的续流路径，迫使电流重新从短续流路径续流；
输出正/负电平时，适时开通箝位管，对两串联承压开关管进行可靠的双向箝位。
2.根据权利要求1所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，所述的三电平拓扑ANPC包括六个功率器件，六个功率器件分别包括开关管G1和二极管D1、开关管G2和二极管D2，开关管G3和二极管D3、开关管G4和二极管D4，开关管G5和二极管D5、开关管G6和二极管D6。
3.根据权利要求2所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，零电平续流开始，开关管G1/开关管G4管关断后延迟一个死区时间T1，先开通开关管G5、开关管G6，当电流流过二极管D2、二极管D1向正母线续流时迫使续流路径由二极管D2、二极管D1管变为二极管D2、开关管G5管，向中性点续流；当电流流过二极管D4、二极管D3向负母线续流时迫使续流路径由二极管D4、二极管D3管变为开关管G6、二极管D3管，向中性点续流；然后再延迟一个死区时间T2开通开关管G2、开关管G3管，额外开通二极管D5、开关管G2，开关管G3、二极管D6两个续流回路。
4.根据权利要求2所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，零电平续流结束时，先关断开关管G2、开关管G3管，延迟一个死区时间T3后再关断开关管G5、开关管G6管，再延迟一个死区时间T4后再开通开关管G1/开关管G4管，退出零电平续流状态。
5.根据权利要求2所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，所述输出正/负电平时，在开关管G1/开关管G4管导通之后延迟一个死区时间T1开通开关管G6/开关管G5管，对开关管G3、开关管G4/开关管G1、开关管G2管进行均压箝位；在开关管G1/开关管G4管关断前提前一个死区时间T4关断开关管G6/开关管G5管。
6.根据权利要求1所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，所述高频调制信号频率为6kHz～20kHz。
7.根据权利要求2所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，所述三电平拓扑ANPC包括两个电容和多个功率器件；两个串联的两个电容串联设置在直流侧；功率器件包括开关管及其反并联二极管；
其中，第一功率器件、第二功率器件、第三功率器件和第四功率器件依次串联，第一功率器件与第一电容正极端连接，第四功率器件与第二电容负极端连接；
第五功率器件和第六功率器件并联，第五功率器件和第六功率器件的中点连接两个电容中点，第五功率器件和第六功率器件分别连接第一功率器件和第二功率器件的中点、第三功率器件和第四功率器件的中点；
第二功率器件和第三功率器件中点连接输出点AC端。
8.根据权利要求1所述的三电平拓扑ANPC四象限运行调制方法，其特征在于，所述功率器件为IGBT或MOSFET。
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