H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法，所述變換器包括2N個H橋模塊單元和4個橋臂電感，每個H橋模塊單元由4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，每相功率開關(guān)單元由2個功率開關(guān)元件正負(fù)極依次串聯(lián)，串聯(lián)中點及負(fù)極為輸出端。兩相功率開關(guān)單元的上功率開關(guān)元件的正極相連，選取其中一相功率開關(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(fù)極與直流電容負(fù)極相連。變換器中帶直流電容的相橋臂可輸出0、±E、±2E、…±NE個電平，不帶直流電容的相橋臂可輸出0、±NE電平，采用多電平控制方法，單相交流輸出電壓將呈現(xiàn)正弦多電平電壓，減少了諧波。
【專利說明】H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法
【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H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單相高壓變換器在許多工業(yè)場合廣泛應(yīng)用，近幾十年來國際上對單相高壓變換器進(jìn)行了深入的研究，提出了眾多有意義的髙壓拓?fù)?。主要?gòu)造拓?fù)涞募夹g(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?fù)?，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(fù)荷不一致，造成各直流電容上直流電壓的不平衡，且拓?fù)漭^復(fù)雜；4、模塊組合多電平變換器即MMC變換器，其優(yōu)點是，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(hù)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]此外，一般的單相高壓變換器，無法較好地實現(xiàn)多電平控制，通常采用PWM控制，要求功率器件工作在高頻狀態(tài)，且開關(guān)損耗較大。
[0004]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單相高壓變換器。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H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)組合后再組合，而本發(fā)明是模塊化功率單元串聯(lián)一次組合完成；
3、可以單獨控制單相橋臂的電平，實現(xiàn)輸出多電平正弦波，諧波較小，與PWM控制技術(shù)相t匕，開關(guān)損耗小、效率高。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、單橋臂多電平控制，諧波?。?、可靠性高；6、成本下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法，與現(xiàn)有單相高壓變換器比較，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，可單橋臂多電平控制，諧波小，可靠性更高，且成本下降，在高壓工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。
[0006]一種H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其包括2N個H橋模塊單元和4個橋臂電感，其中單相高壓變換器的上橋臂由N個H橋模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與2個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外2個橋臂電感的一端與N個H橋模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后單相高壓變換器上橋臂中的2個橋臂電感的另一端與下橋臂中的2個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂中的2個橋臂電感與下橋臂中的2個橋臂電感之間的2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)。
[0007]進(jìn)一步地，所述H橋模塊單元由4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。
[0008]進(jìn)一步地，所述的H橋模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相功率開關(guān)單元，4個功率開關(guān)元件共構(gòu)成2相，即a相和b相，其中每I相均各自包含第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，第一開關(guān)管的正極接到A端，負(fù)極接到B端；第二開關(guān)管的正極接到B端，負(fù)極接到C端，其中B端、C端為輸出端。選擇a相的A端接到直流電容的正極、C端接到直流電容的負(fù)極，然后a相和b相的A端相連接，直流電容上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電壓。
[0009]進(jìn)一步地，所述H橋模塊單元中每相功率開關(guān)單元包括4種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是第一開關(guān)管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第三種狀態(tài)是第二開關(guān)管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第四種狀態(tài)是第二續(xù)流二極管導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
[0010]進(jìn)一步地，單相高壓變換器的上橋臂由N個H橋模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個H橋模塊單兀每相的B端a+、b+端與電源的正極相連接,第一個H橋模塊單兀每相的B端即Ual、Ubl與電源的正極相連接，第一個H橋模塊單元每相的C端與第二個H橋模塊單元的Ua2、Ub2相連接，依此規(guī)律，第i個H橋模塊單元的B端即Ua1、Ubi分別連接到第1-1個H橋模塊單元每相的C端，第i個H橋模塊單元每相的C端分別連接到第i+Ι個H橋模塊單元的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)，N個H橋模塊單元連接后，第N個H橋模塊單元每相的C端分別與第一電感和第二電感連接。
[0011]進(jìn)一步地，單相高壓變換器的下橋臂由橋臂電感與N個H橋模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，第三電感和第四電感分別與第N+1個H橋模塊單元每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)相連接，第N+1個H橋模塊單元每相的C端與第N+2個H橋模塊單元每相的B端即U相)、Ub(N+2)相連接，依次規(guī)律，單相高壓變換器的下橋臂的N個H橋模塊單元連接后，第2N個H橋模塊單元每相的C端即8_、13_端連接到電源的負(fù)極。
[0012]進(jìn)一步地，所述單相高壓變換器的多電平控制方法，帶直流電容的相橋臂即a相可輸出O、土E、±2E、…、土NE個電平，不帶直流電容的相橋臂即b相可輸出O、土NE電平，通過控制單橋臂輸出電平，得到單相交流輸出電壓為正弦多電平。
[0013]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H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)組合后再組合，而本發(fā)明是模塊化功率單元串聯(lián)一次組合完成；3、可以通過一個橋臂電平的控制，實現(xiàn)輸出多電平正弦波，諧波較小，與PWM控制技術(shù)相比，開關(guān)損耗小、效率高。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、單橋臂多電平控制，諧波??；
5、可靠性高；6、成本下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是構(gòu)成單相高壓變換器的H橋模塊單元。
[0015]圖2是本發(fā)明的H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器主電路。
[0016]圖3是具有2N=4個模塊的H橋式模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器。[0017]圖4是具有2N=4個模塊的H橋式模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器的一種多電平輸出波形。
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(jìn)一步描述。
[0019]圖1所示的是本發(fā)明H橋式模塊單元，H橋模塊單元包含4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。每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相功率開關(guān)單元，4個功率開關(guān)元件共構(gòu)成2相，即a相和b相，其中每I相均各自包含第一開關(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(fù)極接到B端；第二開關(guān)管T2的正極接到B端，負(fù)極接到C端，其中B端、C端為輸出端。選擇a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(fù)極，然后a相和b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。
[0020]圖2所示的H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器構(gòu)成方式如下:1、上橋臂由N個H橋模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個H橋模塊單元M1每相的B端a+、b+端與電源V的正極相連接，第一個H橋模塊單元M1每相的B端即Ual、Ubl與電源V的正極相連接，第一個H橋模塊單元M1每相的C端與第二個H橋模塊單元M2的Ua2、Ub2相連接，依此規(guī)律，第i個H橋模塊單元Mi的B端即Ua1、Ubi分別連接到第1-Ι個H橋模塊單元Mg每相的C端，第i個H橋模塊單元Mi每相的C端分別連接到第i+Ι個H橋模塊單元Mi+1的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)，N個H橋模塊單元連接后，第N個H橋模塊單元Mn每相的C端分別與第一電感Lap和第二電感Lbp連接。2、下橋臂由橋臂電感與N個H橋模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，第三電感Lan和第四電感Lbn分別與第N+1個H橋模塊單元Mn+1每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)相連接，第N+1個H橋模塊單元Mn+1每相的C端與第N+2個H橋模塊單元Mn+2每相的B端即U相)、Ub(N+2)相連接，依次規(guī)律，單相高壓變換器的下橋臂的N個H橋模塊單元連接后，第2N個H橋模塊單元M2n每相的C端即a_、b_端連接到電源V的負(fù)極。3、將兩相橋臂的上下橋臂在a、b點處連接，然后分別引出連接到負(fù)載。
[0021]圖3是一個具有2N=4個模塊的H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，它由4個H橋模塊單元MpM2'M3、M4及4個橋臂電感構(gòu)成，其中4個橋臂電感的電感值相同，均為L。
[0022]圖4是具有2N=4個模塊的H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器的其中一種多電平控制方式下的輸出波形，從圖中可見，a端輸出電平為O、土E、±2E, b端輸出電平為±2E,輸出電壓Vab為多電平輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其特征在于包括2N個H橋模塊單元和4個橋臂電感，其中單相高壓變換器的上橋臂由N個H橋模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)與2個橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由另外2個橋臂電感的一端與N個H橋模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后單相高壓變換器上橋臂中的2個橋臂電感的另一端與下橋臂中的2個橋臂電感的另一端串聯(lián)，上橋臂中的2個橋臂電感與下橋臂中的2個橋臂電感之間的2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H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其特征在于，所述的H橋模塊單元由4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H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器及多電平控制方法，其特征在于，所述的H橋模塊單元中，每2個功率開關(guān)元件串聯(lián)構(gòu)成I相功率開關(guān)單元，4個功率開關(guān)元件共構(gòu)成2相，即a相和b相，其中每I相均各自包含第一開關(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(fù)極接到B端；第二開關(guān)管(T2)的正極接到B端，負(fù)極接到C端，其中B端、C端為輸出端；選擇a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(fù)極，然后a相和b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H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其特征在于，H橋模塊單元中每相功率開關(guān)單元有4種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是第一開關(guān)管(T1)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第二種狀態(tài)是第一續(xù)流二極管(D1)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第三種狀態(tài)是第二開關(guān)管(T2)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷；第四種狀態(tài)是第二續(xù)流二極管(D2)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其特征在于，單相高壓變換器的上橋臂由N個H橋模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個H橋模塊單元(M1)每相的B端a+、b+端與電源(V)的正極相連接，第一個H橋模塊單元(M1)每相的B端即Ual'Ubl與電源(V)的正極相連接，第一個H橋模塊單元(M1)每相的C端與第二個H橋模塊單元(M2)的Ua2、Ub2相連接，依此規(guī)律，第i個H橋模塊單元(Mi)的B端即Ua1、Ubi分別連接到第1-Ι個H橋模塊單元(Mp1)每相的C端，第i個H橋模塊單元(Mi)每相的C端分別連接到第i+Ι個H橋模塊單元(Mi+1)的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)，N個H橋模塊單元連接后，第N個H橋模塊單元(Mn)每相的C端分別與第一電感(Lap)和第二電感(Lbp)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器，其特征在于，單相高壓變換器的下橋臂由橋臂電感與N個H橋模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，第三電感(Lan)和第四電感(Lbn)分別與第N+1個H橋模塊單元(MN+1)每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)相連接，第N+1個H橋模塊單元(MN+1)每相的C端與第N+2個H橋模塊單元(MN+2)每相的B端即Ua(N+2)、Ub(N+2)相連接，依次規(guī)律，單相高壓變換器的下橋臂的N個H橋模塊單元連接后，第2N個H橋模塊單元(M2n)每相的C端即a_、b_端連接到電源(V)的負(fù)極。
7.權(quán)利要求1所述H橋模塊單元串聯(lián)組合單相高壓變換器的多電平控制方法，其特征在于，通過控制a相和b相橋臂的輸出電平大小，得到單相交流輸出電壓為正弦多電平。
【文檔編號】H02M7/49GK103701349SQ201310719815
【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)