專利名稱：箝位式多電平變換器用的單相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子多電平拓樸結(jié)構(gòu)，特指一種電壓型交_直-交多電平變換器箝 位型拓樸結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
多電平變換器是高壓大容量功率變換的發(fā)展方向，相對于普通兩電平電路，多電平逆變 器具有以下優(yōu)點(diǎn)1) 輸出電壓更加接近正弦，電壓諧波含量小。2) 輸出電壓dv/dt小，對負(fù)載(比如電機(jī))的絕緣影響小，同時(shí)大大降低電磁干擾的水 平。3) 以低耐壓水平的單管構(gòu)成高壓系統(tǒng)，解決高壓系統(tǒng)的單管耐壓問題但不需要額外的變 壓器，大大減小系統(tǒng)的體積。多電平電路種類很多，從輸出電源類型上可以分為電壓型和電流型，其中電壓型的多電 平逆變器應(yīng)用非常廣泛，本發(fā)明屬于電壓型多電平電路。根據(jù)功率單元的組合方式上可以分 為箝位式拓樸和級聯(lián)式拓樸，其中箝位式拓樸又包括二極管鉗位式、電容鉗位式，在此基礎(chǔ) 上發(fā)展出的通用箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)以及層疊式多電平變換器。1、通用箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)通用箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種拓樸是用兩電平半橋單元組成的拓樸結(jié)構(gòu)， 第一級由一個(gè)單元組成，可以輸出兩個(gè)電平；第二級由兩個(gè)單元組成，和第一級一起可以輸出三個(gè)電平；如此類推，可以構(gòu)成一個(gè)五電平拓樸。其中開關(guān)管Su、 S2,、 S31、 S4i、 S18、 S26、S34、 S"及其反并聯(lián)二極管為電路的主要器件，通過它們合適的開通和關(guān)斷，可以產(chǎn)生希望 得到的電壓波形。其余的開關(guān)管和二極管的通斷則起到了箝位和平衡電壓的作用。每一級受 到的電壓應(yīng)力為J^.,各級的電壓平衡通過箝位開關(guān)管和箝位二極管實(shí)現(xiàn)，在電路拓樸中，開關(guān)的作用有如下的規(guī)律1) 每個(gè)開關(guān)級是一個(gè)獨(dú)立的開關(guān)單元。2) 每個(gè)開關(guān)斜目鄰的任何兩個(gè)開關(guān)都是互補(bǔ)的。3) 在一個(gè)開關(guān)級和周圍互補(bǔ)開關(guān)組成的范圍內(nèi)，任何一個(gè)開關(guān)的狀態(tài)一旦確定，其他開 關(guān)的狀態(tài)也即由電壓規(guī)律隨之確定。這種通用多電平拓樸的特點(diǎn)是1)所需器件和電容數(shù)目眾多，成本高。對于一個(gè)M級電平的通用多電平逆變系統(tǒng)，所需的開關(guān)器件/二極管數(shù)目為M (M-l);需要的電平數(shù)目為M (M-l) /2。2) 可以很好的控制中點(diǎn)電壓平衡。這種電路拓樸具有電壓自平衡的功能，無需特殊的均 壓電路和復(fù)雜的電路均壓控制就可以實(shí)現(xiàn)多電平，對于各種逆變策略和負(fù)載情況，都能有效 的控制中點(diǎn)電壓，相對各種普通箝位式多電平拓樸極具優(yōu)勢。3) 控制極其靈活。由于可控開關(guān)數(shù)量眾多，對于確定的輸出電平，有多種冗余的開關(guān)狀 態(tài)，因而這種拓樸開關(guān)模式的控制極其靈活。把通用多電平拓樸結(jié)構(gòu)經(jīng)過一定的簡化處理，就可以得到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的二極管箝位式 和電容箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)。2、 二極管箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)二極管箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)如圖2所示，單相全橋5電平二極管箝位電路，直流側(cè)有 4個(gè)電容。設(shè)直流側(cè)電壓為4 則每個(gè)電容的電壓為I^，箝位二極管的作用是使每個(gè)開關(guān)器件的耐壓保持為一個(gè)直流側(cè)電容的電壓水平(4)。通過開關(guān)組合，輸出為5種電平的組合。這種二極管箝位式電路的特點(diǎn)是1) 、嵌位二極管數(shù)目多。對于M級電平電路，盡管主開關(guān)器件只要承受一個(gè)直流電容的 電壓(直流電壓的M-1分之一)，但箝位二極管的需承受不同的反相電壓。假設(shè)每個(gè)箝位二極 管都選用與主開關(guān)器件同樣的耐壓，則每相需要的箝位二極管的個(gè)數(shù)為(M-l)x(M-2)。2) 、主開關(guān)器件的需要電流容量不相等。各個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通是不對稱的，越靠近中間導(dǎo)通 的時(shí)間越長，則電流容量越大。3) 、電容電壓不平衡。由于各級電容參與輸出的時(shí)間不同，則在工作中電壓會(huì)出現(xiàn)不平 衡。對于輸出功率因數(shù)為0的情況，各級電容在半個(gè)輸出周期內(nèi)自行平衡其電壓。但對于有 有功輸出的情況下，如果不對其進(jìn)行平衡，將嚴(yán)重影響電路的工作。3、電容箝位式多電平拓樸結(jié)構(gòu)電容箝位式五電平全橋電路的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。若所有的電容的容量相同，并且與主 開關(guān)有相同的耐壓，則M級電平需要M-1個(gè)直流側(cè)電容。 這種電容箝位式電路的特點(diǎn)是1) 、電容箝位式最大的問題是需要大量的箝位電容。如果電容的耐壓與主開關(guān)相同，對 于M級電平電路，除去直流側(cè)的M-1個(gè)電容外每相還需要(M-l ) x (M-2 ) /2個(gè)輔助電容。2) 、相對于二極管箝位式，電容嵌位式有更大的靈活性。對于同一個(gè)確定的電壓輸出， 有多個(gè)冗余的開關(guān)狀態(tài)可供選擇。對于電容平衡的問題，可以用輸出相同電壓不同開關(guān)組合 對電容進(jìn)行沖放電來解決，但是由于電容太多，如何選擇開關(guān)組合將非常復(fù)雜，并要求較高 的頻率。4、層疊式多電平變換器 層疊式多電平變換器如圖4所示，是基于跨接電容和開關(guān)組成基本換流單元的一個(gè)混合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩個(gè)電容箝位型單元疊加起來，圖中Sw、Sw和&為互補(bǔ)開關(guān)，不能同時(shí)開通，同樣其他開關(guān)也有類似的互補(bǔ)開關(guān)對。上層和下層采用類似電容箝位型的開關(guān) 方法，就可以實(shí)現(xiàn)多電平的輸出。 這種層疊式多電平變換器的特點(diǎn)是1) 、當(dāng)電壓等級相同時(shí)，由于層疊式變流器中電容電壓降低了一半，總的電容數(shù)反而減 少了；并且層疊技術(shù)使得變流器中儲(chǔ)存的能量減少，減少量和層疊的層數(shù)成正比，因此層疊式變流器可以使用更小體積的電容，進(jìn)一步減少了裝置的體積。此外層疊數(shù)目越多，輸出電 平數(shù)也越多，大大改善了輸出電壓的波形。2) 、為了滿足最底層和頂層一方開通時(shí)的耐壓要求，拓樸中外側(cè)功率開關(guān)都是兩管直接 串聯(lián)，帶來了開通和關(guān)斷同步問題，而且由于不是總工作在上述的兩個(gè)狀態(tài)，從另一個(gè)角度 說，浪費(fèi)了功率器件的耐壓容量，同時(shí)，這類拓樸的控制方法也比較復(fù)雜。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對已有箝位型拓樸中，在實(shí)現(xiàn)多電平輸出時(shí)所需的輔助箝位二極管的數(shù)量眾多， 或?qū)槲浑娙莸哪蛪阂蟾吆蛿?shù)量眾多，使得變換器成本上升很多的問題，提出 一種新型的 箝位式多電平變換器用的單相電路拓樸結(jié)構(gòu)。減少了較高電壓處串聯(lián)的箝位電容或二極管的 數(shù)目，達(dá)到了用盡量少的低壓器件實(shí)現(xiàn)多電平輸出的目的。圖5為這一發(fā)明的一種單相拓樸 示意圖，圖6為本發(fā)明的另一種單相拓樸示意圖。本發(fā)明的特征之一在于，含有直流輸入電容Cdd, Cde2， C^,三者依次串接，在所述輸入電容Cdd兩端V5和、之間加入 直流輸入電壓lVd。，在所述輸入電容Cde2兩端所述V4和V2之間加入直流輸入電壓2Vde,在 所述輸入電容Cd。兩端所述V2和y之間加入直流輸入電壓lVdc,由所述電容C^， Cde2, Cdc3 串聯(lián)構(gòu)成的支路上的總直流輸入電壓為4 Vde;IGBT開關(guān)器件S廣S2、 S3、 S4、 S5、 &、 §2、 §3、 §4和&，共十個(gè)，所述各個(gè)IGBT開 關(guān)器件從發(fā)射極和集電極之間依次分別正向各并接了一個(gè)反擊穿二極管Dw 、 DS2、 DS3、 DS4、 DS5、 DS1、 DS2、 DS3、 D^和D^，從而構(gòu)成了十個(gè)具有反擊穿功能的IGBT開關(guān)器件；箝位二極管D,、 D2、 D3、 04共四個(gè)，以及一個(gè)箝位電容C ,該電容C兩端的電壓為lVde;其中所述反擊穿二極管D^和所述反擊穿二極管Ds,正向串接，串接后，該D^管的負(fù)極連接 到所述端點(diǎn)V^所述反擊穿二極管D^的正極正向串接所述箝位二極管02后與所述端點(diǎn)、相連，同時(shí)， 該箝位二極管D2的負(fù)極又正向串接所述箝位二極管Di后與反擊穿二極管DS1的正極相連，另7外，所述反擊穿二極管D^的負(fù)極與所述反擊穿二極管的正極相連，所述反擊穿二極管DS2和所述反擊穿二極管DS3正向串接后，該反擊穿二極管DS2的正極 與所述端點(diǎn)V,相連，所述反擊穿二極管D§2的負(fù)極反向串接所述箝位二極管Dg后與所述端點(diǎn)Vj目連，該箝位 二極管D3的正極在正向串接一個(gè)所述箝位二極管D4后與所述反擊穿二極管DS2的負(fù)極相連， 另外，所述反擊穿二極管DS2的正極和所述反擊穿二極管Dg3的負(fù)極相連，所述反擊穿二極管055和所述反擊穿二極管054正向串接后，連接到所述反擊穿二極管 Ds,的正極，所述反擊穿二極管054與所述反擊穿二極管D^正向串接，串接后，該反擊穿二極管D^的 正極與所述反擊穿二極管D^的正極相連，而所述箝位電容C的兩端分別連接到所述反擊穿 二極管DS5的負(fù)極和所述反擊穿二極管DS5的正極，所述反擊穿二極管DS5的正極和所述反擊穿二極管DS5的負(fù)極相連后，構(gòu)成所述箝位式五 電平變換器單相拓樸結(jié)構(gòu)的電壓輸出端v。；當(dāng)所述開關(guān)器件S。旦2、 S3、 S4、 Ss開通，而所述開關(guān)器件&、 S2、 §3、 &、 ^關(guān)斷 時(shí)，v。=4Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件^、 &、 S3、 S4、 Ss開通，而所述開關(guān)器件S,、 S2、 §3、 §4、 §5關(guān)斷 時(shí)，v =3Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件S。 &、 S3、 S4、 ^開通，而所述開關(guān)器件&、 S2、 §3、 §4、 Ss關(guān)斷 時(shí)，v。=3Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 §2、 &、 §4、 Ss開通，而所述開關(guān)器件S,、 S2、 S3、 S4、 ^關(guān)斷 時(shí)，v。=2Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 §2、 S3、 S4、 ^開通，而所述開關(guān)器件S,、 S2、 §3、 &、 Ss關(guān)斷 時(shí)，v。=2Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件§, 、 S2、 §3、 §4、 Ss開通，而所述開關(guān)器件S,、 §2、 S3、 S4、 ^關(guān)斷 時(shí)，v0=Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件g、 §2、 §3、 §4、 ^開通，而所述開關(guān)器件S,、 S2、 S3、 S4、 Ss關(guān)斷時(shí)，v =Vdc;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 S2、 §3、 &、 §5開通，而所述開關(guān)器件S，、 §2、 S3、 S4、 Ss關(guān)斷時(shí)，v =0。本發(fā)明的特征之二在于，含有直流輸入電容c", c〗e2, c^,三者依次串接，在所述輸入電容cL兩端v;和V4'之間加入直流輸入電壓1 vd'e ，在所述輸入電容兩端所述v4'和v2'之間加入直流輸入電壓2 vd'e ，在所述輸入電容c^兩端所述V2'和v/之間加入直流輸入電壓iv;,由所述電容c", c;^， c;^串聯(lián)構(gòu)成的支路上的總直流輸入電壓為4 VI;iGBT開關(guān)器件s;、 s〖、s;、 s;、 s;、 g、 &、 ^、 ^4和§:5,共十個(gè)，所述各個(gè)igbt 開關(guān)器件從發(fā)射極和集電極之間依次分別正向各并接了一個(gè)反擊穿二極管d;, 、 d;2、 d;3 、d;4、 d〖5、 d"、 d"、 d"、 d"和d",從而構(gòu)成了十個(gè)具有反擊穿功能的IGBT開關(guān)器件； 還有一個(gè)箝位電容C',其兩端加入直流電壓為1v丄； 其中所述開關(guān)器件s;的集電極與所述端點(diǎn)v〖相連，所述開關(guān)器件^,的發(fā)射極與所述端點(diǎn)v:相 連，所述開關(guān)器件s;的發(fā)射極和開關(guān)器件^的集電極相連，所述開關(guān)器件s〗的集電極合所述端點(diǎn)v〗相連，所述開關(guān)器件3'2的發(fā)射極與所述端點(diǎn)v/ 相連，所述開關(guān)器件s〖的發(fā)射極合開關(guān)器件§'2的集電極相連，所述反擊穿二極管d"、 d;4、 d;3依次正向串接，串接后，該反擊穿二極管d;3的負(fù)極與 所述開關(guān)器件s;的發(fā)射極相連，所述反擊穿二極管d"、 d"、 d"依此正向串接，串接后，該反擊穿二極管d"的正極與所述開關(guān)器件S〗的發(fā)射極相連，所述箝位電容c'的一端與所述開關(guān)器件s;的集電極相連，而該電容c'的另一端與所述開 關(guān)器件&的發(fā)射才及相連，開關(guān)器件s'5的發(fā)射極與開關(guān)器件§'5的集電極相連后構(gòu)成箝位式五電平變換器單相拓樸 結(jié)構(gòu)的電壓輸出端《；9當(dāng)所述開關(guān)器件s;、 s;、 s;、 s〗、s;開通，而所述開關(guān)器件&、 &、 i、 &、 ^關(guān)斷時(shí)，《-4V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s'2、 s;、 s;、 s;開通，而所述開關(guān)器件s;、 §;2、 g3、 &、 &關(guān)斷時(shí)，《=3"。；當(dāng)所述開關(guān)器件s;、 s'2、 s;、 s'4、 ^開通，而所述開關(guān)器件s,、 $2、 ^、 &、 s;關(guān)斷時(shí)，《=3V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s;、 §;3、 i、 s;開通，而所述開關(guān)器件s;、 s2、 s;、 s;、 ^關(guān)斷時(shí)'《=2Vd'c;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s;、 s;、 s;、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 &、 &3、 &、 s;關(guān)斷時(shí)'《=2V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s〗、^、 &4、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 g2、 s;、 s〗、s;關(guān)斷時(shí)，《=V』C;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 g2、 &、 s4、 s;開通，而所述開關(guān)器件s;、 s'2、 s;、 s:、 §:5關(guān)斷時(shí)，《=V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 i、 i、 i、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 s'2、 s;、 s〗、s;關(guān)斷時(shí)，v:=0。以上兩種新型箝位式五電平電路拓樸結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)1) 、電路結(jié)構(gòu)大大簡化，成本降低。與相同電壓等級輸出的通用箝位式五電平電路拓樸相比(圖1),大大減少了箝位電容和快恢復(fù)二極管的數(shù)量；比層疊式多電平變換器相比(圖4)，所用電容等級相同，卻減少了電容數(shù)目。2) 、器件耐壓水平低，所有器件的最大耐壓相同，都為X^ (直流母線電壓的1/4)。3) 、不含器件的直接串聯(lián)，因而與層疊式多電平變換器相比，沒有開通和關(guān)斷的同步問題。


圖1為單相通用箝位式五電平變換器主電路拓樸結(jié)構(gòu)； 圖2為三相二極管鉗位式五電平變換器主電路拓樸結(jié)構(gòu)； 圖3為三相電容箝位式五電平變換器主電路拓樸結(jié)構(gòu)； 圖4為兩層疊兩單元SMC多電平變換器主電路拓樸結(jié)構(gòu)；圖5為新型箝位式五電平變換器單相拓樸一結(jié)構(gòu)； 圖6為新型箝位式五電平變換器單相拓樸二結(jié)構(gòu)； 圖7為P麗策略輸出逆變器側(cè)輸出三相電壓波形； 圖8為P麗策略輸出逆變器側(cè)輸出單相電壓波形； 圖9為PWM策略輸出逆變器側(cè)輸出線電壓波形。
具體實(shí)施方式
在圖5單相拓樸中包括10個(gè)IGBT開關(guān)器件，4個(gè)箝位二極管以及一個(gè)箝位電容。其中S,和^、 82和§2、 83和§3、 84和&、 S5和&分別均為互補(bǔ)開關(guān)。在圖6單相拓樸中也包括10個(gè)IGBT開關(guān)器件和一個(gè)箝位電容，與圖5拓樸相比，省了 4個(gè)箝位二才及管。其中s;和g、 s'2和^、 s;和^、 s:和&、 s;和i分別均為互補(bǔ)開關(guān)。對于圖5單相拓樸結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)要求輸出v。二4Vdc時(shí)，開通S,、 §2、 S3、 S4、 S5，其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開&、 S2、 &、 §4、 &。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過開關(guān)管S。 S3、 S4、 S;到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過D^、 DS4、 DS3、 Ds,到達(dá)逆變器側(cè)p點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。=3VdJ+,有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 §2、 S3、 S4、 S5,其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開S,、 S2、 &、 34、 §5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過D。 S3、 S4、 Ss到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過D^、 DS4、 &、 D2到達(dá)逆變器側(cè)V4點(diǎn)。第二種方案為開通S。 &、 S3、 S4、 §5,斷開&、 S2、 §3、 &、 S5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過&、 S3、 S4、 C、 Dy到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過&、 C、 DS4、 DS3、 D^到達(dá)逆 變器側(cè)p點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。-2Vdc時(shí)，有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 §2、 &、 &、 S5,其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開S,、 S2、 S3、 S4、 §5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過Dg、 §2、 D§4、 C、 Ss到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過DM、 C、 &、 §3、 D4到達(dá)逆變器側(cè)V2點(diǎn)。第二種方案為開通&、 &、 S3、S4、 斷開S,、 S2、 §3、 §4、 S5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過D,、 S3、 S4、 C、D^到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過&、 C、 DS4、 &、 D2 到達(dá)逆變器側(cè)X點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。=Vdjt,有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 S2、 &、 §4、 S5,其 余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開S。 &、 S3、 S4、 &。若電流由逆變器流 向負(fù)載，電流經(jīng)過DH、 D§3、 DS4、 C、 S5到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流 從輸出端v。經(jīng)過Dw、 C、 &、 §3、 S2到達(dá)逆變器側(cè)n點(diǎn)。第二種方案為開通&、 &、 &、 §4、斷開S。 S2、 S3、 S4、 S5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過Ds、 &、 D§4、 Dy到 達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過&、 §4、 &、 04到達(dá)逆變 器側(cè)^點(diǎn)。當(dāng)要求輸出、=0時(shí)，開通&、 S2、 &、 §4、 §5,其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開S,、 §2、 S3、 S4、 S5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過開關(guān)管DM、 D§3、D§4、 D^到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過&、 §4、 &、 S2 到達(dá)逆變器側(cè)n點(diǎn)。對于圖6單相拓樸結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)要求輸出v。^4v;時(shí)，開通s;、 s;、 s;、 s;、 s;,其余 開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開&、 s2、 i3、 i4、 g5。若電流由逆變器流 向負(fù)載，電流經(jīng)過開關(guān)管s;、 s;、 s'4、 s;到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過D"、 D;4、 D;3、 D"到達(dá)逆變器側(cè)p'點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。二3Vde時(shí)，有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 s" s;、 s;、 s;,其 余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開s;、 g2、 s3、 §:4、 $5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過D"、 S;、 S:、 S;到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過d"、 d〖4、 d〖3、 ^到達(dá)逆變器側(cè)v,點(diǎn)。第二種方案為開通s;、 s;、 s;、 s'4、 斷開&、 i、 i、 g4、 s;。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過s;、 s;、 s'4、 c'、 d"到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過&、 C'、 D〖4、 D;3、 D;, 到達(dá)逆變器側(cè)p'點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。二2Vde時(shí)，有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 S〖、^、 S4、 S;，其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開s;、 ^2、 s;、 s'4、 ^5。若電流由逆變 器流向負(fù)載，電流經(jīng)過s;、 d;3、 d"、 c'、 s;到達(dá)輸出端、；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過D"、 C'、 g4、 g3、 D^到達(dá)逆變器側(cè)V2點(diǎn)。第二種方案為開通&、s;、 s;、 s:、 斷開s;、 ^2、 §;3、 &4、 s;。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過D"、S;、 S:、 C'、 D^到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過^ 、 C'、 DS4、 DS3、 S到達(dá)逆變器側(cè)^點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。 =VdJt，有兩種開關(guān)方案。第一種方案為開通&、 S'2、 &、 g4、 g5，其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開s;、 g2、 s;、 s〗、s;。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過S;、 D"、 D"、 D"到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電 流從輸出端v。經(jīng)過^、 g4、 g3、 D^到達(dá)逆變器側(cè)V2點(diǎn)。第二種方案為開通&、 g2、 S3、g4、 s;，斷開s;、 s;、 s;、 s4、 g5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過d"、 d;3、 d"、C'、 S;到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過D"、 C'、 &、 &、 ^到達(dá)逆變器側(cè)n'點(diǎn)。當(dāng)要求輸出v。二0時(shí)，開通&、 S2、 g3、 g4、 其余開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)可以由互補(bǔ)關(guān)系確定，即斷開s;、 s;、 s;、 s;、 s'5。若電流由逆變器流向負(fù)載，電流經(jīng)過開關(guān)管D"、Ds:3、 D"、 D^到達(dá)輸出端v。；若電流從負(fù)載流向逆變器，則電流從輸出端v。經(jīng)過^ 、 ^4、&、 ^2到達(dá)逆變器側(cè)n'點(diǎn)?？筛鶕?jù)控制目標(biāo)的不同，選擇不同的冗余開關(guān)狀態(tài)。拓樸結(jié)構(gòu)一完整的開關(guān)狀態(tài)與輸出 真值表如表1所示，拓樸結(jié)構(gòu)二完整的開關(guān)狀態(tài)與輸出真值表如表2所示。采用PWM策略輸 出三相電壓如圖7所示，單相電壓如圖8所示，線電壓如圖9所示。表1新型箝位式五電平變換器拓樸一開關(guān)狀態(tài)與輸出真值表Sis2s3&s4§4s5&v001100101010010101010114011001011001010101102&01011010012&01011010103&10011010013410011010104&c表2新型箝位式五電平變換器拓樸二開關(guān)狀態(tài)與輸出真值表SiSis2&s3&s4&s5v00101010101001010101100110010101140110010110011010100101101010103&c101010100110101010104&1權(quán)利要求
1. 箝位型多電平變換器用的單相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于，含有直流輸入電容Cdc1，Cdc2，Cdc3，三者依次串接，在所述輸入電容Cdc1兩端V5和V4之間加入直流輸入電壓1Vdc，在所述輸入電容Cdc2兩端所述V4和V2之間加入直流輸入電壓2Vdc，在所述輸入電容Cdc3兩端所述V2和V1之間加入直流輸入電壓1Vdc，由所述電容Cdc1，Cdc2，Cdc3串聯(lián)構(gòu)成的支路上的總直流輸入電壓為4Vdc；IGBT開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5、S1、S2、S3、S4和S5，共十個(gè)，所述各個(gè)IGBT開關(guān)器件從發(fā)射極和集電極之間依次分別正向各并接了一個(gè)反擊穿二極管DS1、DS2、DS3、DS4、DS5、DS1、DS2、DS3、DS4和DS5，從而構(gòu)成了十個(gè)具有反擊穿功能的IGBT開關(guān)器件；箝位二極管D1、D2、D3、D4共四個(gè)，以及一個(gè)箝位電容C，該電容C兩端的電壓為1Vdc；其中所述反擊穿二極管DS3和所述反擊穿二極管DS1正向串接，串接后，該DS1管的負(fù)極連接到所述端點(diǎn)V5，所述反擊穿二極管DS1的正極正向串接所述箝位二極管D2后與所述端點(diǎn)V4相連，同時(shí)，該箝位二極管D2的負(fù)極又正向串接所述箝位二極管D1后與反擊穿二極管DS1的正極相連，另外，所述反擊穿二極管DS1的負(fù)極與所述反擊穿二極管的正極相連，所述反擊穿二極管DS2和所述反擊穿二極管DS3正向串接后，該反擊穿二極管DS2的正極與所述端點(diǎn)V1相連，所述反擊穿二極管DS2的負(fù)極反向串接所述箝位二極管D3后與所述端點(diǎn)V2相連，該箝位二極管D3的正極在正向串接一個(gè)所述箝位二極管D4后與所述反擊穿二極管DS2的負(fù)極相連，另外，所述反擊穿二極管DS2的正極和所述反擊穿二極管DS3的負(fù)極相連，所述反擊穿二極管DS5和所述反擊穿二極管DS4正向串接后，連接到所述反擊穿二極管DS3的正極，所述反擊穿二極管DS4與所述反擊穿二極管DS5正向串接，串接后，該反擊穿二極管DS4的正極與所述反擊穿二極管DS2的正極相連，而所述箝位電容C的兩端分別連接到所述反擊穿二極管DS5的負(fù)極和所述反擊穿二極管DS5的正極，所述反擊穿二極管DS5的正極和所述反擊穿二極管DS5的負(fù)極相連后，構(gòu)成所述箝位式五電平變換器單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電壓輸出端vo；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝4Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝3Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝3Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝2Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝2Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝Vdc；當(dāng)所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5開通，而所述開關(guān)器件S1、S2、S3、S4、S5關(guān)斷時(shí)，vo＝0。
2、箝位型多電平變換器用的單相電路拓樸結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于，含有直流輸入電容c", c", c"，三者依次串接，在所述輸入電容c"兩端v;和v:之間加入直流輸入電壓iv:,在所述輸入電容c^兩端所述v:和V2'之間加入直流輸入電壓2v丄，在所述輸入電容Cde3兩端所述V〗和V/之間加入直流輸入電壓lVd'c，由所述電容C'dd, C^， C:c3串聯(lián)構(gòu)成的支路上的總直流輸入電壓為4 v:;iGBT開關(guān)器件s;、 s'2、 s;、 s:、 s'5、 &、 i、 g3、 §;4和§:5,共十個(gè)，所述各個(gè)igbt開關(guān)器件從發(fā)射極和集電極之間依次分別正向各并接了 一個(gè)反擊穿二極管d" 、 d;2 、 d;3 、 d;4、 d〖5、 d"、 d;2、 d"、 d"和d"，從而構(gòu)成了十個(gè)具有反擊穿功能的IGBT開關(guān)器件；還有一個(gè)箝位電容c',其兩端加入直流電壓為1v:;其中所述開關(guān)器件s;的集電極與所述端點(diǎn)v;相連，所述開關(guān)器件^的發(fā)射極與所迷端點(diǎn)v:相 連，所述開關(guān)器件s;的發(fā)射極和開關(guān)器件^的集電極相連，所述開關(guān)器件s〖的集電極合所述端點(diǎn)v2'相連，所述開關(guān)器件§'2的發(fā)射極與所述端點(diǎn)v;相連，所述開關(guān)器件s〗的發(fā)射極合開關(guān)器件§'2的集電極相連，所述反擊穿二極管d"、 d;4、 d;3依次正向串接，串接后，該反擊穿二極管d;3的負(fù)極與 所述開關(guān)器件s;的發(fā)射極相連，所述反擊穿二極管d"、 d"、 d^依此正向串接，串接后，該反擊穿二極管d"的正極與所述開關(guān)器件s〗的發(fā)射4及相連，所述箝位電容C'的 一端與所述開關(guān)器件S;的集電極相連，而該電容C'的另一端與所述開 關(guān)器件§'5的發(fā)射極相連，開關(guān)器件S;的發(fā)射極與開關(guān)器件§'5的集電極相連后構(gòu)成箝位式五電平變換器單相拓樸 結(jié)構(gòu)的電壓輸出端《；當(dāng)所述開關(guān)器件s;、 s;、 s;、 s;、 s;開通，而所述開關(guān)器件&、 g2、 &、 &、 ^關(guān)斷時(shí)'《=4V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s;、 s;、 s:、 s;開通，而所述開關(guān)器件s;、 &、 &、 i、 ^關(guān)斷時(shí)，《=3V;;當(dāng)所述開關(guān)器件s;、 s〖、s;、 s〗、^開通，而所述開關(guān)器件&、 ^、 &、 &、 s;關(guān)斷時(shí)'v:=3V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s;、 $3、 s4、 s;開通，而所述開關(guān)器件s;、 ^2、 s;、 s〗、^關(guān)斷時(shí)'《=2V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s'2、 s;、 s:、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 §:2、 g3、 $4、 s;關(guān)斷時(shí)，《=2V^;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 s'2、 g3、 §;4、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 &、 s;、 s〗、s;關(guān)斷時(shí)，《=V:;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 g2、 &、 g4、 S;開通，而所述開關(guān)器件S;、 S'2、 S;、 S'4、區(qū)5關(guān)斷時(shí)'《=x;c;當(dāng)所述開關(guān)器件&、 ^2、 ^、 s4、 ^開通，而所述開關(guān)器件s;、 s'2、 s;、 s;、 s;關(guān)斷時(shí)，《=0。
全文摘要
箝位式多電平變換器用的單相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于電力電子多電平變換器技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于直流側(cè)有三個(gè)電容，直流側(cè)電壓為4V_dc，處于中間的電容實(shí)現(xiàn)2V_dc電壓，在輸入側(cè)用四個(gè)二極管箝位，輸出側(cè)用一個(gè)箝位電容箝位，通過開關(guān)組合，使每個(gè)開關(guān)器件承受1V_dc，可以得到五種電平的輸出組合。本發(fā)明具有電路結(jié)構(gòu)大大簡化、器件耐壓水平低，可以做到不含器件的直接串聯(lián)，沒有開通和關(guān)斷的同步問題。
文檔編號H02M7/5387GK101262180SQ200810105139
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者馮麗超, 李永東, 王琛琛, 躍 高 申請人:清華大學(xué)