專利名稱：一種混合箝位型四電平變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力電子多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是關(guān)于一種混合箝位型四電平變換器。
背景技術(shù)：
高壓大容量的交流電機(jī)廣泛應(yīng)用在軋鋼、造紙、水泥、煤炭、鐵路以及船舶等工業(yè)領(lǐng)域中。多電平技術(shù)對交流電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，不僅可以達(dá)到節(jié)能的目的，還可以改善工藝條件，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。目前，常見的箝位型多電平拓?fù)渲饕卸O管箝位型、電容箝位型、有源中點(diǎn)箝位型以及通用箝位式多電平拓?fù)涞?。其中，二極管箝位型結(jié)構(gòu)在工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，例如五電平橋臂結(jié)構(gòu)的二極管箝位型多電平拓?fù)?如圖1所示)，但是它存在以下缺點(diǎn)1、隨著輸出電平數(shù)的增多，箝位二極管的數(shù)目將按照電平數(shù)目的二次方快速增加，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加，可靠性較低。2、五電平及以上難以實(shí)現(xiàn)各級母線電容電壓平衡，需要額外的硬件電路。這些缺點(diǎn)限制了二極管箝位型拓?fù)渫叩碾娖綌?shù)發(fā)展。如圖2所示，電容箝位型拓?fù)錁虮劢Y(jié)構(gòu)的多電平拓?fù)?，它也存在類似的缺點(diǎn)必須使用大量的箝位電容，而且其數(shù)量也與電平數(shù)目的二次方成正比，造成系統(tǒng)控制復(fù)雜，成本增加，可靠性也大大降低。有源中點(diǎn)箝位型拓?fù)涫且环N比較容易輸出五電平的箝位型拓?fù)?，如圖3所示，其一相橋臂結(jié)構(gòu)不僅使用的箝位器件較少，而且母線電容只分成兩段，電容電壓平衡也容易控制。但是它存在兩個(gè)開關(guān)器件直接串聯(lián)的情況，使得系統(tǒng)可靠性下降，而且不能輸出偶數(shù)電平。如圖4所示， 通用箝位式多電平拓?fù)錁虮劢Y(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種最全面也最復(fù)雜的一種多電平結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)所有電容的電壓自平衡。但是其主要缺點(diǎn)是使用的開關(guān)器件和電容數(shù)目眾多，成本非常高，不適合在工業(yè)上推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能大大減少箝位器件和箝位電容數(shù)量， 不存在開關(guān)器件直接串聯(lián)情況，可靠性較高，且用較少的箝位器件就能實(shí)現(xiàn)多電平輸出的混合箝位型四電平變換器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于它包括一個(gè)直流母線和三個(gè)四電平橋臂，所述直流母線的兩端依次并聯(lián)連接所述三個(gè)四電平橋臂，每個(gè)所述四電平橋臂上設(shè)置有一輸出端，所述三個(gè)四電平橋臂的三個(gè)輸出端共同實(shí)現(xiàn)三相交流電壓輸出。所述直流母線包括三個(gè)串聯(lián)的電容，每個(gè)所述電容承受1/3的直流母線電壓；在第一個(gè)所述電容的正極性端引出第一個(gè)功率端子，在第一個(gè)所述電容與第二個(gè)所述電容之間引出第二個(gè)功率端子，在第二個(gè)所述電容與第三個(gè)所述電容之間引出第三個(gè)功率端子， 在第三個(gè)所述電容的負(fù)極性端引出第四個(gè)功率端子；所述第一個(gè)功率端子和第四個(gè)功率端子依次與所述三個(gè)四電平橋臂的上、下兩個(gè)輸入端并聯(lián)，所述第二個(gè)功率端子和第三個(gè)功率端子依次與所述三個(gè)四電平橋臂的另外兩個(gè)輸入端并聯(lián)。每個(gè)所述四電平橋臂均包括八個(gè)開關(guān)器件以及一個(gè)箝位電容，第一個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第五個(gè)所述開關(guān)器件的集電極，并在兩所述開關(guān)器件之間連接第三個(gè)所述開關(guān)器件的集電極，第三個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第四個(gè)所述開關(guān)器件的集電極；第二個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第六個(gè)所述開關(guān)器件的集電極，并在兩所述開關(guān)器件之間連接第七個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極，第七個(gè)所述開關(guān)器件的集電極連接第八個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極；在第三個(gè)與第四個(gè)所述開關(guān)器件的公共端與第七個(gè)、第八個(gè)所述開關(guān)器件的公共端之間并聯(lián)所述箝位電容，第四個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第八個(gè)所述開關(guān)器件的集電極。第一個(gè)、第二個(gè)所述開關(guān)器件的集電極分別引出第一個(gè)、第三個(gè)功率端子 ’第五個(gè)、第六個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極分別引出第二個(gè)、第四個(gè)功率端子；第四個(gè)所述開關(guān)器件與第八個(gè)所述開關(guān)器件之間引出輸出端子；所述第一個(gè)、第四個(gè)功率端子分別連接所述直流母線的第一個(gè)、第四個(gè)功率端子，所述第二個(gè)、第三個(gè)功率端子分別連接所述直流母線的第二個(gè)、第三個(gè)功率端子。第一個(gè)所述開關(guān)器件與第五個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第二個(gè)所述開關(guān)器件與第六個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第三個(gè)所述開關(guān)器件與第七個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第四個(gè)所述開關(guān)器件與第八個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)。所述箝位電容為1/3的直流母線電壓。每個(gè)所述四電平橋臂中的開關(guān)器件采用場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管或者集成門極換流晶閘管。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用由直流母線和三個(gè)四電平橋臂組成，直流母線由三個(gè)電容串聯(lián)而成，每個(gè)電容承受1/3直流母線電壓， 每個(gè)四電平橋臂由八個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)箝位電容組成，箝位電容也承受1/3直流母線電壓。這樣通過使用不同的開關(guān)方式，就可以實(shí)現(xiàn)所有電容的電壓平衡控制，因此，大大減少了箝位器件和箝位電容的數(shù)量，不存在開關(guān)器件直接串聯(lián)的情況。2、本發(fā)明由于每個(gè)四電平橋臂均包括八個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)箝位電容，每個(gè)開關(guān)器件均與一個(gè)與其互補(bǔ)的開關(guān)器件相連接，形成多種開關(guān)方式。這樣根據(jù)控制目標(biāo)的不同，輸出相同的電壓時(shí)可選擇不同的開關(guān)方式，使用元器件數(shù)量較少，大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，可靠性較高，用較少的箝位器件實(shí)現(xiàn)了多電平輸出。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電力電子多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中二極管箝位型五電平變換器橋臂結(jié)構(gòu)圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中電容箝位型五電平變換器橋臂結(jié)構(gòu)圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中有源中點(diǎn)箝位型五電平變換器橋臂結(jié)構(gòu)圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)中通用箝位型五電平變換器橋臂結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的直流母線結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明的四電平橋臂結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖5所示，本發(fā)明包括一個(gè)直流母線1和三個(gè)四電平橋臂2，直流母線1的兩端依次并聯(lián)連接三個(gè)四電平橋臂2，每個(gè)四電平橋臂2上設(shè)置有一輸出端，三個(gè)四電平橋臂2 的三個(gè)輸出端共同實(shí)現(xiàn)三相交流電壓輸出。如圖6所示，直流母線1包括三個(gè)相同的串聯(lián)電容Cdl、Cd2和Cd3，每個(gè)電容承受1/3 的直流母線電壓。在電容Cdl的正極性端引出第一個(gè)功率端子XI，在電容Cdl與電容Cd2之間引出第二個(gè)功率端子X2，在電容Cd2與電容Cd3之間引出第三個(gè)功率端子X3，在電容Cd3的負(fù)極性端引出第四個(gè)功率端子X4。位于直流母線1兩端的第一個(gè)功率端子Xl和第四個(gè)功率端子X4依次與三個(gè)四電平橋臂2的上、下兩個(gè)輸入端X1’、X4’并聯(lián)，位于直流母線1中部的第二個(gè)功率端子Χ2和第三個(gè)功率端子Χ3依次與三個(gè)四電平橋臂2的另外兩個(gè)輸入端 Χ2，、Χ3，并聯(lián)。如圖7所示，每個(gè)四電平橋臂2均包括八個(gè)開關(guān)器件Si、S2、S3、S4、豇、堅(jiān)、攰和 S4以及一個(gè)箝位電容Cf，開關(guān)器件Sl的發(fā)射極連接開關(guān)器件的集電極，并在開關(guān)器件 Sl與開關(guān)器件Si之間連接開關(guān)器件S3的集電極，開關(guān)器件S3的發(fā)射極連接開關(guān)器件S4 的集電極；開關(guān)器件S2的發(fā)射極連接開關(guān)器件巡的集電極，并在開關(guān)器件S2與開關(guān)器件巡之間連接開關(guān)器件巡的發(fā)射極，開關(guān)器件巡的集電極連接開關(guān)器件M的發(fā)射極；在開關(guān)器件S3、S4的公共端與開關(guān)器件巡、M的公共端之間并聯(lián)箝位電容Cf，開關(guān)器件S4的發(fā)射極與開關(guān)器件撾的集電極連接后，引出輸出端子仍。在開關(guān)器件Si、S2的集電極分別引出第一個(gè)、第三個(gè)功率端子ΧΓ、X3’，開關(guān)器件叢、S2的發(fā)射極分別引出第二個(gè)、四個(gè)功率端子X2’、X4’。其中，第一個(gè)、第四個(gè)功率端子X1’、X4’分別連接直流母線1的第一個(gè)、 第四個(gè)功率端子Χ1、Χ4;第二個(gè)、第三個(gè)功率端子Χ2’、Χ3’分別連接直流母線1的第二個(gè)、 第三個(gè)功率端子Χ2、Χ3。上述實(shí)施例中，箝位電容Cf保持為1/3的直流母線電壓，開關(guān)器件Sl和開關(guān)器件進(jìn)、開關(guān)器件S2和開關(guān)器件巡、開關(guān)器件S3和開關(guān)器件墜、開關(guān)器件S4和開關(guān)器件M分別互補(bǔ)，即當(dāng)其中某一個(gè)開關(guān)器件開通時(shí)，對應(yīng)的互補(bǔ)開關(guān)器件關(guān)斷。上述各實(shí)施例中，每個(gè)四電平橋臂2中的開關(guān)器件根據(jù)直流母線電壓等級的不同，可以選擇不同種類相應(yīng)等級的功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，比如MOSFET(Metal-Oxide-Semi conductor Field-Effect Transistor, ^ ! Isf^iW ) > IGBT (Insulated Gate Bipolar ^Transistor，絕緣柵雙極晶體管)或者 IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor，集成門極換流晶閘管)等。綜上所述，本發(fā)明在使用時(shí)，假設(shè)直流母線1的總電壓為3E，則直流母線1中的電容Cdl、Cd2和Cd3的電壓均為E，箝位電容Cf的電壓也為E。當(dāng)要求輸出電壓為Vo = 3E時(shí)， 只有一種開關(guān)方式，即開通開關(guān)器件Si、S2、S3和S4，其余開關(guān)器件關(guān)斷。當(dāng)要求輸出電壓為Vo = 2E時(shí)，共有三種不同的開關(guān)方式，一是開通開關(guān)器件Si、 S2、S3和M，其余開關(guān)器件關(guān)斷；二是開通開關(guān)器件叢、S2> S3和S4,其余開關(guān)器件關(guān)斷； 三是開通開關(guān)器件Si、S2、巡和S4，其余開關(guān)器件關(guān)斷。當(dāng)要求輸出電壓為Vo = E時(shí)，也有三種不同的開關(guān)方式，一是開通開關(guān)器件叢、 S2> S3和M，其余開關(guān)器件關(guān)斷；二是開通開關(guān)器件Si、S2、墜和M，其余開關(guān)器件關(guān)斷；三是開通開關(guān)器件Si、巡、巡和S4，其余開關(guān)器件關(guān)斷。當(dāng)要求輸出電壓為Vo = O時(shí)，只有一種開關(guān)方式，即開通開關(guān)器件Si、堅(jiān)、攰和 M，其余開關(guān)器件關(guān)斷。根據(jù)控制目標(biāo)的不同，輸出相同的電壓時(shí)可選擇不同的開關(guān)方式，以此可實(shí)現(xiàn)各個(gè)電容的電壓平衡控制。所有開關(guān)方式與與輸出電壓的真值表如表1所示。表1混合箝位型四電平變換器的開關(guān)方式與與輸出電壓的真值表
權(quán)利要求
1.一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于它包括一個(gè)直流母線和三個(gè)四電平橋臂，所述直流母線的兩端依次并聯(lián)連接所述三個(gè)四電平橋臂，每個(gè)所述四電平橋臂上設(shè)置有一輸出端，所述三個(gè)四電平橋臂的三個(gè)輸出端共同實(shí)現(xiàn)三相交流電壓輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于所述直流母線包括三個(gè)串聯(lián)的電容，每個(gè)所述電容承受1/3的直流母線電壓；在第一個(gè)所述電容的正極性端引出第一個(gè)功率端子，在第一個(gè)所述電容與第二個(gè)所述電容之間引出第二個(gè)功率端子， 在第二個(gè)所述電容與第三個(gè)所述電容之間引出第三個(gè)功率端子，在第三個(gè)所述電容的負(fù)極性端引出第四個(gè)功率端子；所述第一個(gè)功率端子和第四個(gè)功率端子依次與所述三個(gè)四電平橋臂的上、下兩個(gè)輸入端并聯(lián)，所述第二個(gè)功率端子和第三個(gè)功率端子依次與所述三個(gè)四電平橋臂的另外兩個(gè)輸入端并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于每個(gè)所述四電平橋臂均包括八個(gè)開關(guān)器件以及一個(gè)箝位電容，第一個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第五個(gè)所述開關(guān)器件的集電極，并在兩所述開關(guān)器件之間連接第三個(gè)所述開關(guān)器件的集電極， 第三個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第四個(gè)所述開關(guān)器件的集電極；第二個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第六個(gè)所述開關(guān)器件的集電極，并在兩所述開關(guān)器件之間連接第七個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極，第七個(gè)所述開關(guān)器件的集電極連接第八個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極；在第三個(gè)與第四個(gè)所述開關(guān)器件的公共端與第七個(gè)、第八個(gè)所述開關(guān)器件的公共端之間并聯(lián)所述箝位電容，第四個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極連接第八個(gè)所述開關(guān)器件的集電極。
4.如權(quán)利要求3所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于第一個(gè)、第二個(gè)所述開關(guān)器件的集電極分別引出第一個(gè)、第三個(gè)功率端子；第五個(gè)、第六個(gè)所述開關(guān)器件的發(fā)射極分別引出第二個(gè)、第四個(gè)功率端子；第四個(gè)所述開關(guān)器件與第八個(gè)所述開關(guān)器件之間引出輸出端子；所述第一個(gè)、第四個(gè)功率端子分別連接所述直流母線的第一個(gè)、第四個(gè)功率端子，所述第二個(gè)、第三個(gè)功率端子分別連接所述直流母線的第二個(gè)、第三個(gè)功率端子。
5.如權(quán)利要求3所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于第一個(gè)所述開關(guān)器件與第五個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第二個(gè)所述開關(guān)器件與第六個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第三個(gè)所述開關(guān)器件與第七個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第四個(gè)所述開關(guān)器件與第八個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)。
6.如權(quán)利要求4所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于第一個(gè)所述開關(guān)器件與第五個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第二個(gè)所述開關(guān)器件與第六個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第三個(gè)所述開關(guān)器件與第七個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)；第四個(gè)所述開關(guān)器件與第八個(gè)所述開關(guān)器件互補(bǔ)。
7.如權(quán)利要求3所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于所述箝位電容為 1/3的直流母線電壓。
8.如權(quán)利要求1或2或4或5或6或7所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于每個(gè)所述四電平橋臂中的開關(guān)器件采用場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管或者集成門極換流晶閘管。
9.如權(quán)利要求3所述的一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于每個(gè)所述四電平橋臂中的開關(guān)器件采用場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管或者集成門極換流晶閘管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合箝位型四電平變換器，其特征在于它包括一個(gè)直流母線和三個(gè)四電平橋臂，所述直流母線的兩端依次并聯(lián)連接所述三個(gè)四電平橋臂，每個(gè)所述四電平橋臂上設(shè)置有一輸出端，所述三個(gè)四電平橋臂的三個(gè)輸出端共同實(shí)現(xiàn)三相交流電壓輸出。本發(fā)明由于采用由直流母線和三個(gè)四電平橋臂組成，直流母線由三個(gè)電容串聯(lián)而成，每個(gè)電容承受1/3直流母線電壓，每個(gè)四電平橋臂由八個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)箝位電容組成，箝位電容也承受1/3直流母線電壓。這樣通過使用不同的開關(guān)方式，就可以實(shí)現(xiàn)所有電容的電壓平衡控制，因此，大大減少了箝位器件和箝位電容的數(shù)量，不存在開關(guān)器件直接串聯(lián)的情況。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于電力電子多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。
文檔編號H02P27/06GK102201755SQ20111014643
公開日2011年9月28日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者李永東, 王奎, 鄭澤東 申請人:清華大學(xué)