CN112886846A - 一种混合钳位五电平电压源型变换器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种混合钳位五电平电压源型变换器及控制方法，属于电力电子变换装置领域。包括4个电容器，4个接线端，12个绝缘栅双极晶体管，以及2个二极管。本变换器输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，控制绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。本发明的优点：本混合钳位五电平电压源型变换器所有的绝缘栅双极晶体管所承受的电压均相等，且相对于飞跨电容型五电平变换器使用更少的电容，减小了装置大小；相对于二极管钳位型五电平变换器具有平衡电容电压的能力，且拓扑结构简单，易于控制，适用于中高压大功率的应用场合。
Description
背景技术
近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，电力电子装置已经被广泛应用，电力电子装置所具有的大功率、耐高压、低谐波扰动的能力也越来越高。多电平变换器具有功率大、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，由于公知的飞跨电容型五电平变换器电容数目较多、二极管钳位型五电平变换器电容电压之间存在不平衡问题等五电平变换器都存在的固有缺点，抑制了五电平变换装置在实际中的推广和应用。
五电平变换器在实际的应用中还必须考虑到绝缘栅双极晶体管均压的因素，由于不同型号的绝缘栅双极晶体管在其内部的寄生电感和寄生电容不同，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。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种混合钳位五电平电压源型变换器，所用电容器数量少，不存在电容电压之间不平衡的问题，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，本混合钳位五电平电压源型变换器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4，第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，以及两个二极管VD1、VD2；
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IGBT4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IGBT电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT8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的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极分别连接于电容器C3的两极；绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极分别连接于电容器C4的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极连接。绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极连接；
二极管VD1的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极连接；二极管VD2的负极与二极管VD1的正极和接线端子连接；
二极管VD2的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和IGBT12的集电极连接；
变换器的控制方法如下：
输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，控制绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。
当变换器输出电压为V dc时，变换器输出电平数为4，此时只有1种开关状态A，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。
当变换器输出电压为3V dc/4时，变换器输出电平数为3，此时只有2种开关状态B1-B2：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT3、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10和IGBT3的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT3流入变换器，此时电流流经电容C3；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT4、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10和绝缘栅双极晶体管IGBT4的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT4流入变换器，此时电流流经电容C3。
当变换器输出电压为V dc/2时，变换器输出电平数为2，此时只有2种开关状态C1-C2：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT10和钳位二极管VD9流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11和钳位二极管VD10流入变换器，此时电流流经电容C1；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C3、C4。
当变换器输出电压为V dc/4时，变换器输出电平数为1，此时只有2种开关状态D1-D2：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C1、C4；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12和绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C2、C3。
当变换器输出电压为0时，变换器输出电平数为0，此时只有1种开关状态E，绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12、导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12流入变换器。
与现有技术相比，本混合钳位五电平电压源型变换装置的两个电容器C1、C2两端的电压分别为直流母线电压的1/2，电容器C3、C4两端的电压分别为直流母线电压的1/4，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，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是本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的拓扑结构图；
图2a为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为A时的电流回路图；
图2b为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为B1时的电流回路图；
图2c为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为B2时的电流回路图；
图2d为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C1时的电流回路图；
图2e为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为C2时的电流回路图；
图2f为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为D1时的电流回路图；
图2g为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为D2时的电流回路图；
图2h为本发明的混合钳位五电平电压源型变换器的开关状态为E时的电流回路图。
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，本混合钳位五电平电压源型变换器包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4，第一接线端、第二接线端、第三接线端、第四接线端，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，以及两个二极管VD1、VD2；
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IGBT4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IGBT电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT8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的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极分别连接于电容器C3的两极；绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极分别连接于电容器C4的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极连接。绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极连接。
二极管VD1的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极连接；二极管VD2的负极与二极管VD1的正极和接线端子连接；二极管VD2的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和IGBT12的集电极连接；
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。
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C3、电容器C4、二极管VD1、二极管VD2、驱动板、控制板集成到一个较大模块中。
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。
本发明的混合钳位五电平电压源型变换器在稳定运行时，电容器C1、C2两端的电压需分别控制在直流母线电压的1/2，电容器C3、C4两端的电压需分别控制在直流母线电压的1/4。当电容器C1、C2两端的电压分别为直流母线电压的1/2，电容器C3、C4两端的电压分别为直流母线电压的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。
定义绝缘栅双极晶体管IGBT开关状态如下式所示
变换器的开关状态如下表所示：
表1变换器的开关状态
变换器的控制方法如下：
(1)当变换器输出电压为V dc时；
变换器输出电平数为4，此时只有1种开关状态A，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。
(2)当变换器输出电压为3V dc/4时；
变换器输出电平数为3，此时只有2种开关状态B1-B2：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT3、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10和IGBT3的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT3流入变换器，此时电流流经电容C3；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT4、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10和绝缘栅双极晶体管IGBT4的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT4流入变换器，此时电流流经电容C3。
(3)当变换器输出电压为V dc/2时；
当变换器输出电压为V dc/2时，变换器输出电平数为2，此时只有2种开关状态C1-C2：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT10和钳位二极管VD9流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11和钳位二极管VD10流入变换器，此时电流流经电容C1；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C3、C4。
(4)当变换器输出电压为V dc/4时；
变换器输出电平数为1，此时只有2种开关状态D1-D2：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C1、C4；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12和绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C2、C3。
(5)当变换器输出电压为0时；
变换器输出电平数为0，此时只有1种开关状态E，绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12、导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12流入变换器。
Claims (7)
1.一种混合钳位五电平电压源型变换器，其特征在于，包括电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4，第一接线端(1)、第二接线端(2)、第三接线端(3)、第四接线端(4)，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10、IGBT11、IGBT12，以及两个二极管VD1、VD2；
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IGBT4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IGBT电容器C2与绝缘栅双极晶体管IGBT8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的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极分别连接于电容器C3的两极；绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极以及绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极分别连接于电容器C4的两极；
绝缘栅双极晶体管IGBT9的集电极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极连接。绝缘栅双极晶体管IGBT12的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极连接；
绝缘栅双极晶体管IGBT10的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的集电极连接；
二极管VD1的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT9的发射极和绝缘栅双极晶体管IGBT10的集电极连接；二极管VD2的负极与二极管VD1的正极和接线端子(2)连接；二极管VD2的负极与绝缘栅双极晶体管IGBT11的发射极和IGBT12的集电极连接。
2.权利要求1所述的一种混合钳位五电平电压源型变换器的控制方法，其特征在于，输出电压Vxo受控制器触发控制，所述的控制器为常规的触发控制器，控制绝缘栅双极晶体管，控制输出电压分别为Vdc、3Vdc/4、Vdc/2、Vdc/4和0；Vdc表示直流母线电压，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态，1为导通，0为关断。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当变换器输出电压为V dc时，变换器输出电平数为4，此时只有1种开关状态A，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10流出变换器，当电流小于0时，通过并联在绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT9、IGBT10发射极和集电极之间的体二极管流入变换器。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当变换器输出电压为3V dc/4时，变换器输出电平数为3，此时只有2种开关状态B1-B2：当开关状态为B1时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT3、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10和IGBT3的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT3流入变换器，此时电流流经电容C3；当开关状态为B2时，绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT4、IGBT9、IGBT10导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10和绝缘栅双极晶体管IGBT4的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT2、IGBT9、IGBT10的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT4流入变换器，此时电流流经电容C3。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当变换器输出电压为V dc/2时，变换器输出电平数为2，此时只有2种开关状态C1-C2：当开关状态为C1时，绝缘栅双极晶体管IGBT10、IGBT11导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT10和钳位二极管VD9流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT11和钳位二极管VD10流入变换器，此时电流流经电容C1；当开关状态为C2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C3、C4。
6.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当变换器输出电压为V dc/4时，变换器输出电平数为1，此时只有2种开关状态D1-D2：当开关状态为D1时，绝缘栅双极晶体管IGBT5、IGBT7、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT5的体二极管和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT11、IGBT12流入变换器，此时电流流经电容C1、C4；当开关状态为D2时，绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4、IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4和绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12和绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT4的体二极管流入变换器，此时电流流经电容C2、C3。
7.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当变换器输出电压为0时，变换器输出电平数为0，此时只有1种开关状态E，绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12导通，当电流大于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12的体二极管流出变换器，当电流小于0时，通过绝缘栅双极晶体管IGBT7、IGBT8、IGBT11、IGBT12流入变换器。
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