CN113098310A - 一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种有源钳位三电平逆变电路及控制方法，包括三电平逆变器主电路，主电路包括开关管T1～T6，每个开关管都反并联一个二极管，开关管T1的第一端接母线正极，开关管T4的第二端接母线负极，开关管T1的第二端接开关管T2、T5的第一端，开关管T4的第一端接开关管T3、T6的第二端，开关管T5的第二端、开关管T6的第一端均接入母线中点，开关管T2的第二端、开关管T3的第一端连接在一起形成桥臂端；开关管T1和T4由Si IGBT构成；开关管T2、T3、T5和T6由SiC MOSFET构成。本公开在不大幅修改电路结构的基础上，通过较为简单的换流过程，就可以降低开关损耗。

Description

一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法

技术领域

本公开属于逆变电路技术领域，具体涉及一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

大功率多电平逆变器近年来在实际工业生产中得到越来越广泛的应用。对于多电平逆变器的结构设计和改进也越来越多，进一步提升了多电平逆变器输出容量、输出电压、电流谐波含量等方面的性能。

但据发明人了解，目前有源钳位三电平逆变电路的改进点，主要集中于增加电路复杂度，例如增加分压单元、辅助谐振换流电路、滤波电路等，或者复杂化控制过程，均给电路增加了成本和开关损耗，并不利于逆变器的实际应用。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种有源钳位三电平逆变电路及其控制方法，本公开在不大幅修改电路结构的基础上，通过较为简单的换流过程，就可以降低开关损耗。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种有源钳位三电平逆变电路，包括三电平逆变器主电路，所述主电路包括开关管T1～T6，每个开关管都反并联一个二极管，开关管T1的第一端接母线正极，开关管T4的第二端接母线负极，开关管T1的第二端接开关管T2、T5的第一端，开关管T4的第一端接开关管T3、T6的第二端，开关管T5的第二端、开关管T6的第一端均接入母线中点，开关管T2的第二端、开关管T3的第一端连接在一起形成桥臂端；

所述开关管T1和T4由Si IGBT构成；

所述开关管T2、T3、T5和T6由SiC MOSFET构成。

作为可选择的实施方式，所述母线正极和母线中点之间连接有第一电容。

作为可选择的实施方式，所述母线负极和母线中点之间连接有第二电容。

基于上述有源钳位三电平逆变电路的控制方法，包括：

在换流控制中，硬开关损耗只存在于开关管T2和T3上；

在非过渡态的零状态时，开关管T5和T2、T6和T3均导通，电流通过两条并联回路流过。

在换流控制中，硬开关损耗只存在于两个外管上；

在零状态时，四个内管均导通，电流通过两条并联回路流过。

进一步的，正半周期P状态和零状态的换流过程为：

电路处于P状态，T1，T2，T6导通，电流通过T1和T2流出；T6没有电流流过，随后，T2关断，进入死区，T3的反并联二极管D3自然导通，电流通过T6和D3续流；

电路处于OL状态时，T3零电压导通，电流通过T6和T3流过；随后，电路处于死区状态，T1零电流关断，电流依然通过T6和T3流过；电路处于死区OUL状态时，T2和T5零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

进一步的，负半周期N状态和零状态的切换过程为：

当电路为N状态时，T3，T4，T5导通，电流通过T3和T4流出负载；T5没有电流流过；随后，T3关断，进入死区，T2的反并联二极管D2自然导通，电流通过T5和D2续流；

当电路为OU状态时，T2零电压导通，电流通过T2和T5流过，随后进入死区，T4零电流关断，电流依然通过T2和T5流过；

当电路是OUL状态时，T3和T6零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开的电路结构简单，并没有进行大幅结构改动，有助于减少投入成本、简化电路结构；

本公开的电路结构设计和换流过程，硬开关损耗只存在于T2和T3上，由于T2和T3采用的SiC MOSFET，可以大幅降低开关损耗。

本公开的换流过程包括两种0状态，其中OL是过渡态，主要0零状态是OUL。在OUL过程中，中间四管都导通，且考虑到MOSFET的同步整流特性，此时电流通过两条并联回路流过，可以大幅降低通态损耗。

为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开的电路结构示意图；

图2(a)-(e)是本公开正半周期P状态和零状态的换流过程示意图；

图3是本公开的驱动信号示意图；

图4(a)-(e)是本公开负半周期N状态和零状态的换流过程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

一种有源钳位三电平逆变电路，所述ANPC型三电平逆变器包含6个开关管T1～T6和6个二极管，其中：每个开关管都反并联一个二极管，T1的第一端接母线正极，T4的第二端接母线负极，T1的第二端接T2、T5的第一端，T4的第一端接T3、T6的第二端，T5的第二端、T6的第一端均接入母线中点，T2的第二端、T3的第一端连接在一起形成桥臂端；所述T1和T4由Si IGBT构成；

所述T2、T3、T5和T6由SiC MOSFET构成。

上述电路的换流过程：

以电流流入负载的方向为例，由于ANPC上下桥臂的对称性，只说明正半周期P状态和零状态的换流过程：

如图2(a)所示，电路处于P状态：T1，T2，T6导通，电流通过T1和T2流出；T6没有电流流过。

如图2(b)所示，电路处于死区：T2关断，进入死区。T3的反并联二极管D3自然导通，电流通过T6和D3续流。

如图2(c)所示，电路处于OL状态：T3零电压导通，电流通过T6和T3流过。

如图2(d)所示，电路处于死区，T1零电流关断，电流依然通过T6和T3流过。

如图2(e)所示，电路处于死区OUL状态，T2和T5零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

施加的驱动信号如图3所示。

可以看出这种换流过程中，硬开关损耗只存在于T2和T3上，由于T2和T3采用的SiCMOSFET，可以大幅降低开关损耗。

负半周期N状态和0状态，电流流出负载时的切换过程为：

如图4(a)所示，当电路是N状态时，T3，T4，T5导通，电流通过T3和T4流出负载；T5没有电流流过。

如图4(b)所示，T3关断，进入死区。T2的反并联二极管D2自然导通，电流通过T5和D2续流。

如图4(c)所示，OU状态时，T2零电压导通，电流通过T2和T5流过。

如图4(d)所示，进入死区，T4零电流关断，电流依然通过T2和T5流过。

如图4(e)所示，OUL状态，T3和T6零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

上述换流过程包括两种0状态，其中OL是过渡态，主要0零状态是OUL。在OUL过程中，中间四管都导通，且考虑到MOSFET的同步整流特性，此时电流通过两条并联回路流过，可以大幅降低通态损耗。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种有源钳位三电平逆变电路，其特征是：包括三电平逆变器主电路，所述主电路包括开关管T1～T6，每个开关管都反并联一个二极管，开关管T1的第一端接母线正极，开关管T4的第二端接母线负极，开关管T1的第二端接开关管T2、T5的第一端，开关管T4的第一端接开关管T3、T6的第二端，开关管T5的第二端、开关管T6的第一端均接入母线中点，开关管T2的第二端、开关管T3的第一端连接在一起形成桥臂端；

所述开关管T1和T4由SiIGBT构成；

所述开关管T2、T3、T5和T6由SiC MOSFET构成。

2.如权利要求1所述的一种有源钳位三电平逆变电路，其特征是：所述母线正极和母线中点之间连接有第一电容。

3.如权利要求1所述的一种有源钳位三电平逆变电路，其特征是：所述母线负极和母线中点之间连接有第二电容。

4.基于权利要求1-3中任一项所述的有源钳位三电平逆变电路的控制方法，其特征是：包括：

在换流控制中，硬开关损耗只存在于开关管T2和T3上；

在非过渡态的零状态时，开关管T5和T2、T6和T3均导通，电流通过两条并联回路流过。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征是：正半周期P状态和零状态的换流过程为：

电路处于P状态，T1，T2，T6导通，电流通过T1和T2流出；T6没有电流流过，随后，T2关断，进入死区，T3的反并联二极管D3自然导通，电流通过T6和D3续流；

电路处于OL状态时，T3零电压导通，电流通过T6和T3流过；随后，电路处于死区状态，T1零电流关断，电流依然通过T6和T3流过；电路处于死区OUL状态时，T2和T5零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征是：负半周期N状态和零状态的切换过程为：

当电路为N状态时，T3，T4，T5导通，电流通过T3和T4流出负载；T5没有电流流过；随后，T3关断，进入死区，T2的反并联二极管D2自然导通，电流通过T5和D2续流；

当电路为OU状态时，T2零电压导通，电流通过T2和T5流过，随后进入死区，T4零电流关断，电流依然通过T2和T5流过；

当电路是OUL状态时，T3和T6零电压导通，电流通过T5和T2、T6和T3两条并联回路流过。

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