三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，包括：2N個三相橋式模塊單元和6個橋臂電感，每個三相橋式模塊單元由6個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及1個直流電容構(gòu)成，每相的功率開關(guān)單元由2個功率開關(guān)元件正負極依次串聯(lián)而成，串聯(lián)中點及負極為輸出端。三相橋式模塊單元中上功率開關(guān)元件的正極相互連接，選取任何一相的功率開關(guān)單元與直流電容并聯(lián)，其中上功率開關(guān)元件的正極與直流電容正極相連，下功率開關(guān)單元的負極與直流電容負極相連。本發(fā)明減少了元器件和模塊化功率單元數(shù)，組合簡單，可靠性高，成本低。
【專利說明】三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子變換器或高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，涉及三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器拓撲的構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002]實現(xiàn)高壓大功率變換器的關(guān)鍵技術(shù)之一是大功率變換器拓撲，近幾十年來國際上對高壓大容量變換器進行了深入的研究，提出了眾多有意義的髙壓大容量拓撲。主要構(gòu)造拓撲的技術(shù)包括:1、功率開關(guān)器件直接串聯(lián)技術(shù)，其優(yōu)點是可以直接應(yīng)用現(xiàn)有拓撲，缺點是各功率開關(guān)器件串聯(lián)存在靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，對功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷一致性要求較高，易于出現(xiàn)器件故障；2、多重化技術(shù)，其優(yōu)點是傳統(tǒng)H橋或者三相橋式電路通過多繞組工頻變壓器耦合，實現(xiàn)高電壓、低諧波輸出，缺點是需要用工頻多繞組變壓器，成本、損耗、復(fù)雜性增加，且有直流磁化現(xiàn)象；3、多電平技術(shù)，其優(yōu)點是直流側(cè)采用串聯(lián)直流電容實現(xiàn)功率開關(guān)器件均壓，缺點是功率開關(guān)器件的導(dǎo)通電流負荷不一致，造成各直流電容上直流電壓的不平衡，且拓撲較復(fù)雜；4、模塊組合多電平變換器即MMC變換器，其優(yōu)點是各相橋臂根據(jù)電壓等級，由多個相同的模塊化功率單元和兩個橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，實現(xiàn)了高度模塊化，在器件電流應(yīng)力、不平衡運行、故障保護等方面比一般多電平技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢，是目前高壓電能變換首選的變換器。
[0003]本發(fā)明在MMC變換器基礎(chǔ)上，提出一種模塊化程度更高的組合高壓變換器。本發(fā)明提出的變換器與MMC變換器有以下不同:1、模塊化功率單元不同，MMC變換器采用單相模塊化功率單元，本發(fā)明是采用三相橋式模塊化功率單元；2、組合方式不同，MMC變換器是每相模塊化功率單元串聯(lián)組合后、再三相組合，而本發(fā)明是三相模塊化功率單元一次串聯(lián)組合完成。因而本發(fā)明與MMC變換器相比較，具有以下顯著的優(yōu)點:1、減少了元器件；2、減少了模塊化功率單元數(shù)；3、組合簡單；4、可靠性高；5、成本下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，與現(xiàn)有高壓大容量變換器比較，模塊化程度更高，減少了元器件，減少了功率單元數(shù)，組合簡單，可靠性更高，且成本下降，在高壓大容量工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0005]一種三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其包含2N個三相橋式模塊單元和6個橋臂電感，其中高壓變換器的上橋臂由N個三相橋式模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與3個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外3個橋臂電感的一端與另外N個三相橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后高壓變換器上橋臂中的3個橋臂電感的另一端與下橋臂中的所述另外3個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂中的3個橋臂電感與下橋臂中的3個橋臂電感之間3個連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端，N為正整數(shù)。
[0006]進一步地，所述三相橋式模塊單元由6個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容構(gòu)成。[0007]進一步地，三相橋式模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，6個功率開關(guān)元件共構(gòu)成3相即a相、b相和c相，其中每I相均各自包括第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，第一開關(guān)管的正極接到A端，負極接到B端；第二開關(guān)管的正極接到B端，負極接到C端，其中B端、C端為輸出端，選擇a相或b相或c相的A端接到直流電容的正極、C端接到直流電容的負極，然后a、b、c三相的A端相連接，直流電容上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
[0008]進一步地，三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器有3種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是上橋臂N個三相橋式模塊單元的第二開關(guān)管或第二續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是下橋臂N個三相橋式模塊單元的第二開關(guān)管或第二續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第三種狀態(tài)是上下橋臂2N個三相橋式模塊單元的第一開關(guān)管或第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
[0009]進一步地，高壓變換器的上橋臂由N個三相橋式模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，即第一個三相橋式模塊單元每相的B端即a+、b+、c+端與電源的正極相連接，第一個三相橋式模塊單元每相的B端即Ual、Ubl、Ucl與電源的正極相連接，第一個三相橋式模塊單元每相的C端與第二個三相橋式模塊單元的B端即Ua2、Ub2、Ue2相連接，依此連接規(guī)律，第i個三相橋式模塊單元的B端即1、υΜ、1分別連接到第1-Ι個三相橋式模塊單元每相的C端，第i個三相橋式模塊單元每相的C端分別連接到第i+Ι個三相橋式模塊單元的B端即Ua(i+1)、ub(i+1)、ue(i+1)，N個三相橋式模塊單元連接后，第N個三相橋式模塊單元每相的C端分別與第一電感、第二電感和第三電感連接。
[0010]進一步地，高壓變換器的下橋臂由橋臂電感與N個三相橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，即第四電感、第五電感和第六電感分別與第N+1個三相橋式模塊單元每相的B端Ua(N+1)、Ub(N+1)>Uc(N+1)相連接，第N+1個模塊每相的C端與第N+2個三相橋式模塊單元的B端即Ua(N+2)、Ub(N+2)>Uc(N+2)相連接，依此規(guī)律，高壓變換器的下橋臂的N個三相橋式模塊單元連接后，第2N個三相橋式模塊單元每相的C端即a_、b_、c端連接到電源V的負極。
[0011]本發(fā)明與MMC變換器相比，有以下不同:1、模塊化功率單元不同，MMC變換器采用單相模塊化功率單元，本發(fā)明是采用三相橋式模塊化功率單元；2、組合方式不同，MMC變換器是單相模塊化功率單元串聯(lián)組合后、再三相組合，而本發(fā)明是三相模塊化功率單元一次串聯(lián)組合完成。因而本發(fā)明與MMC變換器相比較，具有以下顯著的優(yōu)點:1、減少了元器件；
2、減少了模塊化功率單元數(shù)；3、組合簡單；4、可靠性高；5、成本下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1a?圖1c是高壓變換器的三相橋式模塊單元的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器主電路。
[0014]圖3是三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器中每相橋臂的3種工作狀態(tài)圖。
[0015]圖4是具有2N=4個模塊的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器。
[0016]圖5是采用120°控制時具有2N=4個模塊的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的輸出電壓波形。
[0017]圖6是采用180°控制時具有2N=4個模塊的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的輸出電壓波形。具體實施方案
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進一步描述。
[0019]圖1所示的是本發(fā)明三相橋式模塊單元，三相橋式模塊單元的構(gòu)成方式如下:包含6個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，它們按第一開關(guān)管T1的正極接到A端、負極接到B端、第二開關(guān)管T2的正極接到B端、負極接到C端的方式連接，其中B端、C端為輸出端，然后選擇a相或b相或c相的A端接到直流電容Ce的正極、C端接到直流電容Ce的負極(Ce上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值)，進而將a、b、c三相的A端相連接。
[0020]圖2的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器構(gòu)成方式如下:1、上橋臂由N個三相橋式模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，即第一個三相橋式模塊單元M1每相的B端即a+、b+、c+端與電源V的正極相連接，第一個三相橋式模塊單元M1每相的B端即其Ual、Ubl、Uel與電源V的正極相連接，C端與第二個三相橋式模塊單元M2的Ua2、Ub2、Uc2相連接，依此規(guī)律，三相橋式模塊單元間的連接方式為第i個三相橋式模塊單元Mi的Ua1、Um、Uci分別連接到第1-Ι個三相橋式模塊單元Mp1每相的C端，第i個三相橋式模塊單元Mi每相的C端分別連接到第i+Ι個三相橋式模塊單元Mi+1的Ua(i+1)、Ub(i+1)、Uc(i+1), N個三相橋式模塊單元連接后，第N個三相橋式模塊單元Mn每相的C端分別與第一電感Lap、第二電感Lbp和第三電感Lcp連接；2、下橋臂由橋臂電感與N個三相橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，第四電感Lan、第五電感Lbn和第六電感Lm分別與第N+1個三相橋式模塊單元Mn+1每相的B端即
Ua(N+l)、Ub(N+l)、Uc(n+1)
相連接，第N+1個三相橋式模塊單元Mn+1每相的C端與第N+2個三相橋式模塊單元Mn+2的Ua(N+2)、Ub(N+2)、Uc(N+2)相連接，依此規(guī)律，N個三相橋式模塊單元連接后，第2N個三相橋式模塊單元M2n每相的C端即a_、b_、c端連接到電源V的負極；3、將三相橋臂在上下2個橋臂電感的連接點，即a、b、c點處連接，負載可以是三相星形或三角形連接。
[0021]按照圖2的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器拓撲，每相橋臂有3種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是上橋臂N個三相橋式模塊單元即M1IIn中三相的第二開關(guān)管T2或第二續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷，交流輸出端電壓為2NE=V ;第二種狀態(tài)是下橋臂N個三相橋式模塊單元即Mn+廣M2n中三相的第二開關(guān)管T2或第二續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷，交流輸出端電壓為O ;第三種狀態(tài)是上下橋臂2N個三相橋式模塊單元即M廣M2n中三相的第一開關(guān)管T1或第一續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷，交流輸出端電壓為NE=V/2。圖3為各相交流輸出端對應(yīng)的工作波形。
[0022]對于圖2所示的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，具有2N個三相橋式模塊單元，通過控制輸出幅值2NE (V=2NE)且三相相位相差120°的交流電壓。
[0023]圖4是基于圖1a的具有2N=4個模塊的三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，它由4個三相橋式模塊MpMyMyM4及6個橋臂電感構(gòu)成，其中6個橋臂電感的電感值相同，均為L。若采用120°導(dǎo)電方式控制，a、b、c點對電源中點電壓Va、Vb、V。以及a相和b相上的負載線電壓Vab見圖5 ;若采用180°導(dǎo)電方式控制，a、b、c點對電源中點電壓Va、Vb、V。以及a相和b相上的負載線電壓Vab見圖6。
【權(quán)利要求】
1.一種三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于包含2N個三相橋式模塊單元和6個橋臂電感，其中高壓變換器的上橋臂由N個三相橋式模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與3個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外3個橋臂電感的一端與另外N個三相橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后高壓變換器上橋臂的3個橋臂電感的另一端與下橋臂的3個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂中的3個橋臂電感與下橋臂中的3個橋臂電感之間的3個連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端，N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，所述三相橋式模塊單元由6個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件及I個直流電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，所述三相橋式模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相，6個功率開關(guān)元件共構(gòu)成3相，即a相、b相和c相，其中每I相均各自包括第一開關(guān)管(T1)和第二開關(guān)管(T2),第一開關(guān)管(T1)的正極接到A端，負極接到B端；第二開關(guān)管(T2)的正極接到B端，負極接到C端，其中B端、C端為輸出端，選擇a相或b相或c相的A端接到直流電容(Ce)的正極、C端接到直流電容(Ce)的負極，然后a、b、c三相的A端相連接，直流電容(Ce)上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，包括3種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是上橋臂N個三相橋式模塊單元的第二開關(guān)管(T2)或第二續(xù)流二極管(D2)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是下橋臂N個三相橋式模塊單元的第二開關(guān)管(T2)或第二續(xù)流二極管(D2)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第三種狀態(tài)是上下橋臂2N個三相橋式模塊單元的第一開關(guān)管(T1)或第一續(xù)流二極管(D1)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，高壓變換器的上橋臂由N個三相橋式模塊單兀與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成,第一個三相橋式模塊單元(M1)每相的B端即a+、b+、c+端與電源(V)的正極相連接，第一個三相橋式模塊單元(M1)每相的B端即Ual、Ubl、Ucl與`電源(V)的正極相連接，第一個三相橋式模塊單元(M1)每相的C端與第二個三相橋式模塊單元(M2)的B端即Ua2、Ub2、Ue2相連接，依此連接規(guī)律，第i個三相橋式模塊單元(Mi)的B端即υ^υΜ、υ。,分別連接到第1-Ι個三相橋式模塊單元(Mp1)每相的C端，第i個三相橋式模塊單元(Mi)每相的C端分別連接到第i+Ι個三相橋式模塊單元(Mi+1)的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)、Uc(i+1)，N個三相橋式模塊單元連接后，第N個三相橋式模塊單元(Mn)每相的C端分別與第一電感(Lap)、第二電感(Lbp)和第三電感(Lct)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述三相橋式模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，高壓變換器的下橋臂由橋臂電感與N個三相橋式模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，即第四電感(Lan)、第五電感(Lbn)和第六電感(Len)分別與第N+1個三相橋式模塊單元(Mn+1)每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)> UC(N+1)相連接，第N+1個模塊(Mn+1)每相的C端與第N+2個三相橋式模塊單元(Mn+2)每相的B端即Ua(N+2)、U咖)、Uc(N+2)相連接，依此規(guī)律，高壓變換器的下橋臂的N個三相橋式模塊單元連接后，第2N個三相橋式模塊單元(M2n)每相的C端即a_、b_、c_端連接到電源(V)的負極。
【文檔編號】H02M7/48GK103701343SQ201310719758
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月21日
【發(fā)明者】張波, 丘東元 申請人:華南理工大學(xué)