CN115833635A - 一种异质功率器件t型五电平电压源型变换*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异质功率器件T型五电平电压源型变换***，涉及电力电子变换技术领域。本发明包括基础单元，包括电容组件、碳化晶体管组件和硅基晶体管组件。本发明的有益效果：本异质功率器件T型五电平电压源型变换装置采用硅基器件和碳化硅基器件混合应用实现不同材料器件扬长避短，平衡成本和效能，同时本装置包含第三电容器和第四电容器两端的电压为直流母线电压的1/2，第一电容器和第二电容器两端的电压为直流母线电压的1/4，则每个硅基绝缘栅双极晶体管和每个碳化硅基场效晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，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
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术领域，特别是一种异质功率器件T型五电平电压源型变换***。
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。以碳化硅为代表之一的宽禁带半导体功率器件具有开关速度快、热导率大、击穿场强高、开关损耗小等特点，在大功率变换器中的应用具有突出优势。
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，以及全碳化硅基功率器件五电平变流器的高成本等问题，抑制了碳化硅基五电平变流器的推广和应用。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是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，以及全碳化硅基功率器件五电平变流器的高成本等问题，抑制了碳化硅基五电平变流器的推广和应用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其包括基础单元，包括电容组件、碳化晶体管组件和硅基晶体管组件，所述电容组件包括第一电容器、第二电熔器、第三电容器和第四电容器，所述碳化晶体管组件包括第一碳化硅基场效晶体管、第二碳化硅基场效晶体管、第三碳化硅基场效晶体管和第四碳化硅基场效晶体管，所述硅基晶体管组件包括第一硅基绝缘栅双极晶体管、第二硅基绝缘栅双极晶体管、第三硅基绝缘栅双极晶体管、第四硅基绝缘栅双极晶体管；所述第一硅基绝缘栅双极晶体管的发射极与第一碳化硅基场效晶体管的漏极连接，第四硅基绝缘栅双极晶体管的集电极与第四碳化硅基场效晶体管的源极连接，第二硅基绝缘栅双极晶体管的集电极与第三硅基绝缘栅双极晶体管的集电极连接，第二碳化硅基场效晶体管的漏极与第三碳化硅基场效晶体管的漏极连接；所述第三硅基绝缘栅双极晶体管的发射极、第二碳化硅基场效晶体管的源极以及第一硅基绝缘栅双极晶体管的发射极、第一碳化硅基场效晶体管的漏极分别连接于第一电容器的两极；所述第三硅基绝缘栅双极晶体管的发射极、第二碳化硅基场效晶体管的源极以及第四硅基绝缘栅双极晶体管的集电极、第四碳化硅基场效晶体管的源极连接分别连接于第二电容器的两极。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述第三电容器与第一硅基绝缘栅双极晶体管的集电极与第一接线端连接；所述第三电容器、第四电容器和第二硅基绝缘栅双极晶体管的发射极与第二接线端连接。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述第四电容器与第四硅基绝缘栅双极晶体管的发射极连接与第三接线端连接。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述第一碳化硅基场效晶体管的源极、第三碳化硅基场效晶体管的源极和第四碳化硅基场效晶体管的漏极与第四接线端连接。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上形成一种拓扑结构，在一种拓扑结构中，所述第一接线端、第二接线端和第三接线端均为直流输入端，若干所述第四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所在相桥臂安装。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构，在一种拓扑结构中，所述第一接线端、第二接线端和第三接线端均为直流输入端，若干所述第四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。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构，在一种拓扑结构中，若干所述第四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所在相桥臂安装。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构，在一种拓扑结构中，若干所述第四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。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构，在一种拓扑结构的一侧，若干所述第四接线端为三相交流的输入端，另一侧若干所述第四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所在相桥臂安装。
作为本发明所述异质功率器件T型五电平电压源型变换***的一种优选方案，其中：所述基础单元能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构，在一种拓扑结构的一侧，若干所述第四接线端为三相交流的输入端，另一侧若干所述第四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。
本发明的有益效果：
本异质功率器件T型五电平电压源型变换装置采用硅基器件和碳化硅基器件混合应用实现不同材料器件扬长避短，平衡成本和效能，同时本装置包含第三电容器和第四电容器两端的电压为直流母线电压的1/2，第一电容器和第二电容器两端的电压为直流母线电压的1/4，则每个硅基绝缘栅双极晶体管和每个碳化硅基场效晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，因此，所有硅基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硅基绝缘栅双极晶体管，所有碳化硅基场效晶体管承受的耐压也相同，使用时可选用同一型号碳化硅基场效晶体管，所用电容器的数量少，不需箝位二极管，结构简单、控制灵活。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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。其中：
图1为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的基础单元拓扑结构图；
图2为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例2的拓扑结构图；
图3为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例3的拓扑结构图；
图4为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例4的拓扑结构图；
图5为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例5的拓扑结构图；
图6为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例6的拓扑结构图；
图7为本发明所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***的实施例7的拓扑结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种异质功率器件T型五电平电压源型变换***，包括基础单元100，包括电容组件101、碳化晶体管组件102和硅基晶体管组件103，电容组件101包括第一电容器C11、第二电熔器C12、第三电容器C21和第四电容器C22，碳化晶体管组件102包括第一碳化硅基场效晶体管S11、第二碳化硅基场效晶体管S12、第三碳化硅基场效晶体管S13和第四碳化硅基场效晶体管S14，硅基晶体管组件103包括第一硅基绝缘栅双极晶体管S21、第二硅基绝缘栅双极晶体管S22、第三硅基绝缘栅双极晶体管S23、第四硅基绝缘栅双极晶体管S24；第一硅基绝缘栅双极晶体管S21的发射极与第一碳化硅基场效晶体管S11的漏极连接，第四硅基绝缘栅双极晶体管S24的集电极与第四碳化硅基场效晶体管S14的源极连接，第二硅基绝缘栅双极晶体管S22的集电极与第三硅基绝缘栅双极晶体管S23的集电极连接，第二碳化硅基场效晶体管S12的漏极与第三碳化硅基场效晶体管S13的漏极连接；第三硅基绝缘栅双极晶体管S23的发射极、第二碳化硅基场效晶体管S12的源极以及第一硅基绝缘栅双极晶体管S21的发射极、第一碳化硅基场效晶体管S11的漏极分别连接于第一电容器C11的两极；第三硅基绝缘栅双极晶体管S23的发射极、第二碳化硅基场效晶体管S12的源极以及第四硅基绝缘栅双极晶体管S24的集电极、第四碳化硅基场效晶体管S14的源极连接分别连接于第二电容器C12的两极。
第三电容器C21与第一硅基绝缘栅双极晶体管S21的集电极与第一接线端X1连接；第三电容器C21、第四电容器C22和第二硅基绝缘栅双极晶体管S22的发射极与第二接线端X2连接。
第四电容器C22与第四硅基绝缘栅双极晶体管S24的发射极连接与第三接线端X3连接。
第一碳化硅基场效晶体管S11的源极、第三碳化硅基场效晶体管S13的源极和第四碳化硅基场效晶体管S14的漏极与第四接线端X4连接。
通过控制不同碳化硅基场效晶体管S11、S12、S13、S14和硅基绝缘栅双极晶体管S21、S22、S23、S24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，碳化硅基场效晶体管S11、S12、S13、S14、硅基绝缘栅双极晶体管S21、S22、S23、S24、第一电容器C11、第二电容器C12、第三电容器C21、第四电容器C22、驱动板、控制板集成到一个较大模块中。
每个硅基绝缘栅双极晶体管也可由其他硅基全控型器件替换使用，其他硅基全控型器件包括硅基的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。
每个碳化硅基场效晶体管也可由其他碳化硅基或氮化镓基全控型器件替换使用，其他碳化硅基或氮化镓基全控型器件包括碳化硅基或氮化镓基的绝缘栅双极晶体管、电力晶体管。
第一接线端X1与第三接线端X3之间的电压为直流母线电压。
本发明的异质功率器件T型五电平电压源型变换装置在稳定时，第三电容器C21、第四电容器C22两端的电压需控制在直流母线电压的1/2，第一电容器C11、第二电容器C12两端的电压需控制在直流母线电压1/4。当第三电容器C21、第四电容器C22两端的电压为直流母线电压的1/2，第一电容器C11、第二电容器C12两端的电压为直流母线电压的1/4时，则每个硅基绝缘栅双极晶体管和每个碳化硅基场效晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4。因此，本发明中的所有硅基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硅基绝缘栅双极晶体管，所有碳化硅基场效晶体管承受的耐压也相同，使用时可选用同一型号碳化硅基场效晶体管。
实施例2
参照图2，为本发明第二个实施例，其不同于前一个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上形成一种拓扑结构T1，在一种拓扑结构T1中，第一接线端X1、第二接线端X2和第三接线端X3均为直流输入端，若干第四接线端X4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。
实施例3
参照图3，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构T2，在一种拓扑结构T2中，第一接线端X1、第二接线端X2和第三接线端X3均为直流输入端，若干第四接线端X4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。
实施例4
参照图4，为本发明第四个实施例，其不同于前三个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构T3，在一种拓扑结构T3中，若干第四接线端X4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。
实施例5
参照图5，为本发明第五个实施例，其不同于前四个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构T4，在一种拓扑结构T4中，若干第四接线端X4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。
实施例6
参照图6，为本发明第六个实施例，其不同于前五个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构T5，在一种拓扑结构T5的一侧，若干第四接线端X4为三相交流的输入端，另一侧若干第四接线端X4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。
实施例7
参照图7，为本发明第六个实施例，其不同于前五个实施例的是：基础单元100能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构T6，在一种拓扑结构T6的一侧，若干第四接线端X4为三相交流的输入端，另一侧若干第四接线端X4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。
综上，本异质功率器件T型五电平电压源型变换装置采用硅基器件和碳化硅基器件混合应用实现不同材料器件扬长避短，平衡成本和效能，同时本装置包含第三电容器和第四电容器两端的电压为直流母线电压的1/2，第一电容器和第二电容器两端的电压为直流母线电压的1/4，则每个硅基绝缘栅双极晶体管和每个碳化硅基场效晶体管承受的电压均为直流母线电压的1/4，因此，所有硅基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硅基绝缘栅双极晶体管，所有碳化硅基场效晶体管承受的耐压也相同，使用时可选用同一型号碳化硅基场效晶体管，所用电容器的数量少，不需箝位二极管，结构简单、控制灵活。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：包括，
基础单元(100)，包括电容组件(101)、碳化晶体管组件(102)和硅基晶体管组件(103)，所述电容组件(101)包括第一电容器(C11)、第二电熔器(C12)、第三电容器(C21)和第四电容器(C22)，所述碳化晶体管组件(102)包括第一碳化硅基场效晶体管(S11)、第二碳化硅基场效晶体管(S12)、第三碳化硅基场效晶体管(S13)和第四碳化硅基场效晶体管(S14)，所述硅基晶体管组件(103)包括第一硅基绝缘栅双极晶体管(S21)、第二硅基绝缘栅双极晶体管(S22)、第三硅基绝缘栅双极晶体管(S23)、第四硅基绝缘栅双极晶体管(S24)；
所述第一硅基绝缘栅双极晶体管(S21)的发射极与第一碳化硅基场效晶体管(S11)的漏极连接，第四硅基绝缘栅双极晶体管(S24)的集电极与第四碳化硅基场效晶体管(S14)的源极连接，第二硅基绝缘栅双极晶体管(S22)的集电极与第三硅基绝缘栅双极晶体管(S23)的集电极连接，第二碳化硅基场效晶体管(S12)的漏极与第三碳化硅基场效晶体管(S13)的漏极连接；
所述第三硅基绝缘栅双极晶体管(S23)的发射极、第二碳化硅基场效晶体管(S12)的源极以及第一硅基绝缘栅双极晶体管(S21)的发射极、第一碳化硅基场效晶体管(S11)的漏极分别连接于第一电容器(C11)的两极；
所述第三硅基绝缘栅双极晶体管(S23)的发射极、第二碳化硅基场效晶体管(S12)的源极以及第四硅基绝缘栅双极晶体管(S24)的集电极、第四碳化硅基场效晶体管(S14)的源极连接分别连接于第二电容器(C12)的两极。
2.如权利要求1所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述第三电容器(C21)与第一硅基绝缘栅双极晶体管(S21)的集电极与第一接线端(X1)连接；
所述第三电容器(C21)、第四电容器(C22)和第二硅基绝缘栅双极晶体管(S22)的发射极与第二接线端(X2)连接。
3.如权利要求2所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述第四电容器(C22)与第四硅基绝缘栅双极晶体管(S24)的发射极连接与第三接线端(X3)连接。
4.如权利要求3所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述第一碳化硅基场效晶体管(S11)的源极、第三碳化硅基场效晶体管(S13)的源极和第四碳化硅基场效晶体管(S14)的漏极与第四接线端(X4)连接。
5.如权利要求4所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上形成一种拓扑结构(T1)，在一种拓扑结构(T1)中，所述第一接线端(X1)、第二接线端(X2)和第三接线端(X3)均为直流输入端，若干所述第四接线端(X4)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所在相桥臂安装。
6.如权利要求5所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构(T2)，在一种拓扑结构(T2)中，所述第一接线端(X1)、第二接线端(X2)和第三接线端(X3)均为直流输入端，若干所述第四接线端(X4)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。
7.如权利要求6所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构(T3)，在一种拓扑结构(T3)中，若干所述第四接线端(X4)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所在相桥臂安装。
8.如权利要求7所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上又形成一种拓扑结构(T4)，在一种拓扑结构(T4)中，若干所述第四接线端(X4)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。
9.如权利要求8所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构(T5)，在一种拓扑结构(T5)的一侧，若干所述第四接线端(X4)为三相交流的输入端，另一侧若干所述第四接线端(X4)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所在相桥臂安装。
10.如权利要求4～9任一所述的异质功率器件T型五电平电压源型变换***，其特征在于：所述基础单元(100)能够并联在直流母线上又形成一种左右对称的拓扑结构(T6)，在一种拓扑结构(T6)的一侧，若干所述第四接线端(X4)为三相交流的输入端，另一侧若干所述第四接线端(X4)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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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117650711A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-03-05 | 浙江大学 | 一种混合三电平叠加混合桥臂有源中点钳位变换器及其调制方法 |
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2022
- 2022-11-03 CN CN202211372566.8A patent/CN115833635A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117650711A (zh) * | 2023-11-28 | 2024-03-05 | 浙江大学 | 一种混合三电平叠加混合桥臂有源中点钳位变换器及其调制方法 |
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