專利名稱：一種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)及其應用的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型屬于電カ變流技術(shù)領域，具體涉及ー種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)及其應用。
背景技術(shù)：
近年來，能源的短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為世界關注的焦點，在國家大力提倡“節(jié)能減排”的政策倡導下，中高壓大功率場合下的節(jié)電減能更是刻不容緩。我國現(xiàn)有的中高壓大功率交流電動機大多是直接啟動，采取閥門調(diào)節(jié)或者液カ耦合方式進行調(diào)速，這種調(diào)速方式使得電能浪費巨大，隨著我國電カ事業(yè)的快速發(fā)展，エ業(yè)界對中高壓大功率變流器的需求量越來越大，當這些大功率電動機采用變頻調(diào)速吋，節(jié)能率可達10°/Γ70%，平均在30%左 右。由于高壓大功率電カ電子器件價格昂貴以及其關鍵技術(shù)等多方制約因素，采用多電平技術(shù)是實現(xiàn)中高壓大功率變流器的重要方向。與傳統(tǒng)的變流器相比，多電平變流器可以使用耐壓較低的器件實現(xiàn)較高的電壓輸出；輸出電壓諧波含量小，在新能源并網(wǎng)發(fā)電場合，將大大提高輸出的電能質(zhì)量；在電機拖動領域中，變流器輸出電平數(shù)的増加，可使得輸出dv/dt減小，降低了電磁干擾與電機絕緣的損害。在常見的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的ニ極管箝位型五電平變流拓撲如圖I所示；其單橋臂所需全控型功率器件8個，箝位ニ極管12個，直流側(cè)串聯(lián)4個電容。而且隨著輸出電平數(shù)的增加，箝位ニ極管和有源功率器件的數(shù)量將大大增加。這種拓撲結(jié)構(gòu)的成本高，結(jié)構(gòu)設計復雜，不利于實際的エ業(yè)應用場合。在エ業(yè)化應用非常廣泛的ー種單元串聯(lián)H橋多電平變流器，如圖2所示，其每個H橋功率単元均需要獨立的電壓源供電，采用該拓撲結(jié)構(gòu)的三相五電平串聯(lián)H橋變流器其單橋臂所需全控型功率器件8個，兩個獨立的直流電壓源，整個三相變流器需要全控型功率器件24個和六個獨立的直流電壓源。隨著輸出電壓等級的提高，串聯(lián)的H橋功率単元數(shù)與獨立的直流電壓源數(shù)目也越來越多，這樣所需要的移相變壓器副邊繞組數(shù)也需要大量增カロ。隨之帶來了移相隔離變壓器的體積增大，制造難度增加，成本増加等問題。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本實用新型提供了ー種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)及其應用，大大減少了功率器件及直流電壓源的數(shù)量。ー種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，包括一電容鏈路和ー變流單元；所述的電容鏈路由四個電容組成；其中，電容C1的一端與外部直流電壓源的正極相連，電容C1的另一端與電容C2的一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端相連，電容C3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另一端與外部直流電壓源的負極相連；所述的變流単元由兩個雙向功率開關、兩個ニ極管和四個帶反并ニ極管的開關管組成；其中，帶反并ニ極管的開關管S1的輸入端與電容C1的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S1的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S2的輸入端、雙向功率開關Q1的一端和ニ極管D1的陰極相連，雙向功率開關Q1的另一端與電容C2的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S2的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S3的輸入端相連且為電平輸出端，帶反并ニ極管的開關管S3的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S4的輸入端、雙向功率開關Q2的一端和ニ極管D2的陽極相連，雙向功率開關Q2的另一端與電容C4的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S4的輸出端與電容C4的另一端相連，ニ極管D1的陽極與ニ極管D2的陰極和電容C3的一端相連，所述的帶反并ニ極管的開關管和雙向功率開關的控制端均接收外部設備提供的開關控制信號。ー種具有雙向功率開關的三相五電平變流器，包括一電容鏈路和三個變流単元；所述的電容鏈路由四個電容組成；其中，電容C1的一端與外部直流電壓源的正極相連，電容C1的另一端與電容C2的一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端相連，電容C3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另一端與外部直流電壓源的負極相連； 所述的變流単元由兩個雙向功率開關、兩個ニ極管和四個帶反并ニ極管的開關管組成；其中，帶反并ニ極管的開關管S1的輸入端與電容C1的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S1的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S2的輸入端、雙向功率開關Q1的一端和ニ極管D1的陰極相連，雙向功率開關Q1的另一端與電容C2的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S2的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S3的輸入端相連且為對應相的電平輸出端，帶反并ニ極管的開關管S3的輸出端與帶反并ニ極管的開關管S4的輸入端、雙向功率開關Q2的一端和ニ極管D2的陽極相連，雙向功率開關Q2的另一端與電容C4的一端相連，帶反并ニ極管的開關管S4的輸出端與電容C4的另一端相連，ニ極管D1的陽極與ニ極管D2的陰極和電容C3的一端相連，所述的帶反并ニ極管的開關管和雙向功率開關的控制端均接收外部設備提供的開關控制信號。優(yōu)選地，所述的帶反并ニ極管的開關管采用IGBT?，F(xiàn)有的IGBT技術(shù)使其電流范圍最高可達1500A，電壓等級可達6500V，尤其滿足中高壓大功率的應用場合。所述的雙向功率開關由兩個IGBT組成；其中，第一 IGBT的集電極為雙向功率開關的一端，第一 IGBT的發(fā)射極與第二 IGBT的發(fā)射極相連，第二 IGBT的集電極為雙向功率開關的另一端，第一 IGBT的門極和第二 IGBT的門極為雙向功率開關的兩個控制端。所述的雙向功率開關由兩個開關管組成；其中，第一開關管的輸入端與第二開關管的輸出端相連且為雙向功率開關的一端，第一開關管的輸出端與第二開關管的輸入端相連且為雙向功率開關的另一端，第一開關管的控制端和第二開關管的控制端為雙向功率開關的兩個控制端。這兩種結(jié)構(gòu)的雙向功率開關可以獨立的控制正負電流的流徑，為電路輸出期望電平時提供了有功與無功電流的通路。后者相對于前者，可通過模塊化實現(xiàn)，體積更小，電流流經(jīng)的器件數(shù)目更少，損耗也越小。本實用新型利用雙向功率開關對正負電流路徑的單獨控制，既能控制雙向功率開關上的電流雙向流動，又保證了電路多種電平的輸出；在輸出五種電平的基礎上，大大減少了功率器件及直流電壓源的數(shù)量。雙向功率開關連接于開關管S1Z^S3和開關管S2/S4之間，這種連接結(jié)構(gòu)可直接使用T型三電平模塊實現(xiàn)，進而減少系統(tǒng)體積，提高功率密度，且雙向功率開關的電壓應カ僅為母線電壓的1/4，拓撲結(jié)構(gòu)對稱，方便模塊化生產(chǎn)。
圖I是傳統(tǒng)的ニ極管箝位型五電平拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是五電平串聯(lián)H橋變流拓撲結(jié)構(gòu)的不意圖。圖3是本實用新型一種變流拓撲結(jié)構(gòu)實例的示意圖。圖4是本實用新型另ー種變流拓撲結(jié)構(gòu)實例的示意圖。圖5是本實用新型三相五電平變流器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本實用新型三相五電平變流器接星型負載的輸出線電壓波形圖。
具體實施方式為了更為具體地描述本實用新型，
以下結(jié)合附圖及具體實施方式
對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。如圖3所示，ー種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，包括ー電容鏈路和
一變流單元；電容鏈路由四個電容C廣C4組成；其中，電容C1的一端與外部直流電壓源的正極相連，電容C1的另一端與電容C2的一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端相連，電容C3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另一端與外部直流電壓源的負極相連；變流單元由兩個雙向功率開關Q1M2、兩個ニ極管D1I2和四個IGBT S廣S4組成；其中，IGBT S1的集電極與電容C1的一端相連，IGBT S1的發(fā)射極與IGBTS2的集電極、雙向功率開關Q1的一端和ニ極管D1的陰極相連,雙向功率開關Q1的另一端與電容C2的一端相連，IGBT S2的發(fā)射極與IGBT S3的集電極相連且為電平輸出端，IGBT S3的發(fā)射極與IGBT S4的集電極、雙向功率開關Q2的一端和ニ極管D2的陽極相連，雙向功率開關Q2的另一端與電容C4的一端相連，IGBT S4的發(fā)射極與電容C4的另一端相連,ニ極管D1的陽極與ニ極管D2的陰極和電容C3的一端相連，IGBT的門極和雙向功率開關的控制端均接收外部設備提供的開關控制信號。本實施方式中，雙向功率開關由兩個IGBT組成；其中，第一 IGBT S5/S7的集電極為雙向功率開關的一端，第一 IGBT S5/S7的發(fā)射極與第二 IGBT S6/S8的發(fā)射極相連，第二 IGBTS6ZS8的集電極為雙向功率開關的另一端，第一 IGBTS5/S7的門極和第二 IGBT S6/S8的門極為雙向功率開關的兩個控制端。作為另ー種實施方式，如圖4所示，變流拓撲結(jié)構(gòu)中的雙向功率開關由兩個開關管組成；其中，第一開關管s5/s7的輸入端與第二開關管s6/s8的輸出端相連且為雙向功率開關的一端，第一開關管s5/s7的輸出端與第二開關管s6/s8的輸入端相連且為雙向功率開關的另一端，第一開關管s5/s7的控制端和第二開關管s6/s8的控制端為雙向功率開關的兩個控制端。以圖4的拓撲結(jié)構(gòu)為例,五種電平的輸出合成原理如下當S1' S2與雙向功率開關中的S6和S8開通，即斷開S3> S4, S5, S7時，此時V0=2E ；當S2與雙向功率開關中的S5, S6, S7開通，即斷開S1' S3> S4, S8時，此時V0=IE ；當S2, S3與雙向功率開關中的S5, S8開通，即斷開S1' S4, S6, S7時，此時V0=OE ；當S3與雙向功率開關中的S5, S7, S8開通，即斷開S1' S2, S4, S6時，此時V0=-IE ；當S3, S4與雙向功率開關中的S5, S7開通，即斷開S1' S2, S6, S8時，此時V0=_2E。[0036]本實施方式的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)既可直接構(gòu)成單相五電平變流器，又可構(gòu)造出如圖5所示的三相五電平變流器；將本實施方式拓撲結(jié)構(gòu)的三相五電平變流器的三個電平 輸出端分別接上三相星型對稱負載，則其輸出線電壓波形如圖6所示，從圖中可見變流器可輸出具有9種電平的線電壓，輸出線電壓每次變化ー個電平。
權(quán)利要求1.一種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一電容鏈路和一變流單元； 所述的電容鏈路由四個電容組成；其中，電容C1的一端與外部直流電壓源的正極相連，電容C1的另一端與電容C2的一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端相連，電容C3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另一端與外部直流電壓源的負極相連； 所述的變流單元由兩個雙向功率開關、兩個二極管和四個帶反并二極管的開關管組成；其中，帶反并二極管的開關管S1的輸入端與電容仏的一端相連，帶反并二極管的開關管S1的輸出端與帶反并二極管的開關管S2的輸入端、雙向功率開關Q1的一端和二極管D1的陰極相連，雙向功率開關％的另一端與電容(2的一端相連，帶反并二極管的開關管S2的輸 出端與帶反并二極管的開關管S3的輸入端相連且為電平輸出端，帶反并二極管的開關管S3 的輸出端與帶反并二極管的開關管S4的輸入端、雙向功率開關Q2的一端和二極管D2的陽極相連，雙向功率開關Q2的另一端與電容C4的一端相連，帶反并二極管的開關管S4的輸出端與電容C4的另一端相連，二極管D1的陽極與二極管D2的陰極和電容C3的一端相連，所述的帶反并二極管的開關管和雙向功率開關的控制端均接收外部設備提供的開關控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的帶反并二極管的開關管采用IGBT。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的雙向功率開關由兩個IGBT組成；其中，第一 IGBT的集電極為雙向功率開關的一端，第一 IGBT的發(fā)射極與第二 IGBT的發(fā)射極相連，第二 IGBT的集電極為雙向功率開關的另一端，第一 IGBT的門極和第二 IGBT的門極為雙向功率開關的兩個控制端。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的雙向功率開關由兩個開關管組成；其中，第一開關管的輸入端與第二開關管的輸出端相連且為雙向功率開關的一端，第一開關管的輸出端與第二開關管的輸入端相連且為雙向功率開關的另一端，第一開關管的控制端和第二開關管的控制端為雙向功率開關的兩個控制端。
5.一種具有雙向功率開關的三相五電平變流器，其特征在于包括一電容鏈路和三個變流單元； 所述的電容鏈路由四個電容組成；其中，電容C1的一端與外部直流電壓源的正極相連，電容C1的另一端與電容C2的一端相連，電容C2的另一端與電容C3的一端相連，電容C3的另一端與電容C4的一端相連，電容C4的另一端與外部直流電壓源的負極相連； 所述的變流單元由兩個雙向功率開關、兩個二極管和四個帶反并二極管的開關管組成；其中，帶反并二極管的開關管S1的輸入端與電容仏的一端相連，帶反并二極管的開關管S1的輸出端與帶反并二極管的開關管S2的輸入端、雙向功率開關Q1的一端和二極管D1的陰極相連，雙向功率開關％的另一端與電容(2的一端相連，帶反并二極管的開關管S2的輸出端與帶反并二極管的開關管S3的輸入端相連且為對應相的電平輸出端，帶反并二極管的開關管S3的輸出端與帶反并二極管的開關管S4的輸入端、雙向功率開關Q2的一端和二極管仏的陽極相連，雙向功率開關Q2的另一端與電容C4的一端相連，帶反并二極管的開關管S4的輸出端與電容C4的另一端相連,二極管D1的陽極與二極管D2的陰極和電容C3的一端相連，所述的帶反并二極管的開關管和雙向功率開關的控制端均接收外部設備提供的開關控制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有雙向功率開關的三相五電平變流器，其特征在于所述的帶反并二極管的開關管采用IGBT。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有雙向功率開關的三相五電平變流器，其特征在于所述的雙向功率開關由兩個IGBT組成；其中，第一 IGBT的集電極為雙向功率開關的一端，第一IGBT的發(fā)射極與第二 IGBT的發(fā)射極相連，第二 IGBT的集電極為雙向功率開關的另一端，第一 IGBT的門極和第二 IGBT的門極為雙向功率開關的兩個控制端。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有雙向功率開關的三相五電平變流器，其特征在于所述的雙向功率開關由兩個開關管組成；其中，第一開關管的輸入端與第二開關管的輸出端相連且為雙向功率開關的一端，第一開關管的輸出端與第二開關管的輸入端相連且為雙向功率開關的另一端，第一開關管的控制端和第二開關管的控制端為雙向功率開關的兩個控制端。
專利摘要本實用新型公開了一種具有雙向功率開關的五電平變流拓撲結(jié)構(gòu)，包括一電容鏈路和一變流單元；其中，電容鏈路由四個電容串聯(lián)組成；變流單元由兩個雙向功率開關、兩個二極管和四個帶反并二極管的開關管組成；本實用新型還公開了采用該拓撲結(jié)構(gòu)的三相五電平變流器。本實用新型利用雙向功率開關對正負電流路徑的單獨控制，既能控制雙向功率開關上的電流雙向流動，又保證了電路多種電平的輸出；在輸出五種電平的基礎上，大大減少了功率器件及直流電壓源的數(shù)量，雙向功率開關的電壓應力僅為母線電壓的1/4，拓撲結(jié)構(gòu)對稱，方便模塊化生產(chǎn)。
文檔編號H02M7/483GK202586797SQ201220229380
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者李武華, 羅皓澤, 何湘寧 申請人:浙江大學