H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其包括2N個H橋式三相模塊單元、6個橋臂電感，每個H橋式三相模塊單元由3個H橋開關(guān)單元及1個直流電容構(gòu)成，每相H橋開關(guān)單元包含4個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件，每2個功率開關(guān)元件正負極依次串聯(lián)，串聯(lián)中點為輸出端，其中選取任何一相H橋開關(guān)單元與直流電容并聯(lián)，然后三相H橋開關(guān)單元的上功率開關(guān)元件的正極相互連接。高壓變換器三相橋臂的上橋臂由N個H橋式三相模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與N個H橋式三相模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)，上下橋臂電感的連接點構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端，交流輸出端接至三相星形或三角形連接方式的負載。
【專利說明】H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單元串聯(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既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)明在以H橋為基本元件的MMC變換器基礎(chǔ)上，提出一種模塊化程度更高的組合平變換器。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，H橋為基本元件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，H橋為基本元件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)明是三相橋式模塊化功率單元串聯(lián)一次組合完成。因而本發(fā)明與H橋為基本元件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H橋式三相模塊單元串聯(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]H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其包括2N個H橋式三相模塊單元和6個橋臂電感；其中高壓變換器的上橋臂由N個H橋式三相模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)地與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H橋式三相模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上橋臂的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)，上橋臂與下橋的橋臂電感連接點構(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H橋式三相模塊單元由3個H橋開關(guān)單元及I個直流電容構(gòu)成，所述3個H橋開關(guān)單元分別為a相H橋開關(guān)單元、b相H橋開關(guān)單元和c相H橋開關(guān)單元。[0007]進一步地，每相H橋開關(guān)單元均各自包括4個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件，其中第一開關(guān)管和第二開關(guān)管串聯(lián)，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管串聯(lián)；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；第三開關(guān)管的正極接到A端，負極接到B’端；第四開關(guān)管的正極接到B’端，負極接到C端；所述B端、B’端為輸出端；選擇a相或b相或c相H橋開關(guān)單元的A端接到直流電容的正極、C端接到直流電容的負極，然后三相H橋開關(guān)單元的A端相連接，構(gòu)成I個H橋式三相模塊單元；直流電容上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電壓。
[0008]進一步地，H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器包括3種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是上橋臂N個H橋式三相模塊單元中的第一開關(guān)管和第三續(xù)流二極管或第二開關(guān)管和第四續(xù)流二極管或第三開關(guān)管和第一續(xù)流二極管或第四開關(guān)管和第二續(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H橋式三相模塊單元中的第一開關(guān)管和第三續(xù)流二極管或第二開關(guān)管和第四續(xù)流二極管或第三開關(guān)管和第一續(xù)流二極管或第四開關(guān)管和第二續(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H橋式三相模塊單元的第一開關(guān)管和第四開關(guān)管或第一續(xù)流二極管和第四續(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個串聯(lián)連接的H橋式三相模塊單元與3個橋臂電感連接構(gòu)成，其中第一個H橋式三相模塊單元每相的B端即Ual、Ubl、Ucl端與電源V的正極相連接，B’端與第二個H橋式三相模塊單元的每相的B端即Ua2、Ub2, Uc2相連接，依此規(guī)律，第i個H橋式三相模塊單元的B端即Ua1、Ubi, Uci分別連接到第1-Ι個H橋式三相模塊單元每相的B’端，第i個H橋式三相模塊單元每相的B’端分別連接到第i+Ι個H橋式三相模塊單元的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)、Ue(i+1)，N個H橋式三相模塊單元連接后，第N個H橋式三相模塊單元每相的B’端分別與第一電感、第二電感和第三電感連接。
[0010]進一步地，高壓變換器的的下橋臂由3個橋臂電感與N個串聯(lián)連接的H橋式三相模塊單元依次連接構(gòu)成，第四電感、第五電感和第六電感分別與第N+1個H橋式三相模塊單元每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)、UC(N+1)相連接，第N+1個H橋式三相模塊單元每相的B’端與第N+2個H橋式三相模塊單元的B端即Ua(N+2)、U咖)、Uc(N+2)相連接，依此規(guī)律，N個模塊連接后，第2N個三相模塊單元每相的B’端即a_、b_、c端連接到電源V的負極。
[0011]本發(fā)明與H橋為基本元件的MMC變換器相比，有以下不同:1、模塊化功率單元不同，H橋為基本元件的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,H橋為基本元件的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)明是三相橋式模塊化功率單元串聯(lián)一次組合完成。因而本發(fā)明與H橋為基本元件的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H橋式三相模塊單元的結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器主電路。
[0014]圖3是H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單元，H橋式三相模塊單元由3個H橋開關(guān)單元及I個直流電容構(gòu)成。每個H橋開關(guān)單元包含4個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件，其中第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2串聯(lián)，第三開關(guān)管T3和第四開關(guān)管T4串聯(lián)；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；第三開關(guān)管T3的正極接到A端，負極接到B’端；第四開關(guān)管T4的正極接到B’端，負極接到C端；B端、B’端為輸出端。選擇a相或b相或c相H橋開關(guān)單元的A端接到直流電容Ce的正極、C端接到直流電容Ce的負極(直流電容Ce上的電壓E為V/2N，V為輸入直流電壓)，然后三相的H橋開關(guān)單元A端相連接，構(gòu)成I個H橋式三相模塊單元。
[0020]圖2的H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器構(gòu)成方式如下:1、上橋臂由N個H橋式三相模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，a+、b+、c+端既第一個H橋式三相模塊單元M1每相的B端與電源V的正極相連接，第一個H橋式三相模塊單元M1每相的B端既Ual、Ubl,Ucl與電源V的正極相連接，B’端與第二個H橋式三相模塊單元M2的Ua2、Ub2、Ue2相連接，依此規(guī)律，H橋式三相模塊單元間的連接方式為第i個H橋式三相模塊單元Mi的Ua1、Ubi, Uci分別連接到第i_l個H橋式三相模塊單元Mg每相的B’端，第i個H橋式三相模塊單元Mi每相的B’端分別連接到第i+Ι個H橋式三相模塊單元Mi+1的υΑ+1)、υΜ?+1)、υ&+1)，Ν個H橋式三相模塊單元連接后，第N個H橋式三相模塊單元Mn每相的B’端分別與第一電感Lap、第二電感Lbp和第三電感Lep連接。2、下橋臂由橋臂電感與N個H橋式三相模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，第四電感Lan、第五電感Lbn和第六電感Lm分別與第Ν+1個H橋式三相模塊單元Μν+1每相的B端既
Ua(N+i” Ub(N+1” UC(N+1) 相連接，第N+1個H橋式三相模塊單元Mn+1每相的B’端與第N+2個H橋式三相模塊單元Mn+2的 Ua (N+2)、Ub (N+2)、Uc (N+2) 相連接，依此規(guī)律,N個H橋式三相模塊單元連接后，第2N個H橋式三相模塊單元M2n每相的B’端既a_、b_、c_端連接到電源V的負極。3、將三相橋臂的上下橋臂在a、b、c點連接，然后分別引出連接到負載，負載可以是三相星形或三角形連接。
[0021]按照圖1的H橋式三相模塊單元拓撲，每相橋臂有3種工作狀態(tài)。第一種狀態(tài)是上橋臂N個H橋式三相模塊單元M^Mn中三相H橋開關(guān)單元的第一開關(guān)管T1和第三續(xù)流二極管D3或第二開關(guān)管T2和第四續(xù)流二極管D4或第三開關(guān)管T3和第一續(xù)流二極管D1或第四開關(guān)管T4和第二續(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H橋式三相模塊單元Mn+廣M2n中三相H橋開關(guān)單元的第一開關(guān)管T1和第三續(xù)流二極管D3或第二開關(guān)管T2和第四續(xù)流二極管D4或第三開關(guān)管T3和第一續(xù)流二極管D1或第四開關(guān)管T4和第二續(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H橋式三相模塊單元M廣M2n中三相H橋開關(guān)單元的第一開關(guān)管T1和第四開關(guān)管T4或第一續(xù)流二極管D1和第四續(xù)流二極管D4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]圖4是基于圖1a的具有2N=4個H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，它由4個H橋式三相橋式模塊M1、M2、M3> M4及6個橋臂電感構(gòu)成，每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.H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于:包括2N個H橋式三相模塊單元和6個橋臂電感；其中高壓變換器的上橋臂由N個H橋式三相模塊單元串聯(lián)后再相應(yīng)地與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H橋式三相模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上橋臂的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)，上橋臂與下橋的橋臂電感連接點構(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橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，所述H橋式三相模塊單元由3個H橋開關(guān)單元及I個直流電容構(gòu)成，所述3個H橋開關(guān)單元分別為a相H橋開關(guān)單元、b相H橋開關(guān)單元和c相H橋開關(guān)單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，每相H橋開關(guān)單元均各自包括4個帶續(xù)流二極管的功率開關(guān)元件，其中第一開關(guān)管(T1)和第二開關(guān)管(T2)串聯(lián)，第三開關(guān)管(T3)和第四開關(guān)管(T4)串聯(lián)；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；第三開關(guān)管(T3)的正極接到A端，負極接到B’端；第四開關(guān)管(T4)的正極接到B’端，負極接到C端；所述B端、B’端為輸出端；選擇a相或b相或c相H橋開關(guān)單元的A端接到直流電容(Ce)的正極、C端接到直流電容(Ce)的負極，然后三相H橋開關(guān)單元的A端相連接，構(gòu)成I個H橋式三相模塊單元；直流電容(Ce)上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述H橋式三相模塊單元串聯(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H橋式三相模塊單兀中的第一開關(guān)管(T1)和第三續(xù)流二極管(D3)或第二開關(guān)管(T2)和第四續(xù)流二極管(D4)或第三開關(guān)管(T3)和第一續(xù)流二極管(D1)或第四開關(guān)管(T4)和第二續(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H橋式三相模塊單元中的第一開關(guān)管(T1)和第三續(xù)流二極管(D3)或第二開關(guān)管(T2)和第四續(xù)流二極管(D4)或第三開關(guān)管(T3)和第一續(xù)流二極管(D1)或第四開關(guān)管(T4)和第二續(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H橋式三相模塊單元的第一開關(guān)管(T1)和第四開關(guān)管(T4)或第一續(xù)流二極管(D1)和第四續(xù)流二極管(D4)導(dǎo)通，其它器件均關(guān)斷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，高壓變換器的上橋臂由N個串聯(lián)連接的H橋式三相模塊單元與3個橋臂電感連接構(gòu)成，其中第一個H橋式三相模塊單元(M1)每相的B端即Ual、Ubl、Uel端與電源(V)的正極相連接，B’端與第二個H橋式三相模塊單元(M2)的每相的B端即Ua2Wbd相連接，依此規(guī)律，第i個H橋式三相模塊單元(Mi)的B端即Ua1、Um、Uci分別連接到第1-Ι個H橋式三相模塊單元(Mp1)每相的B’端，第i個H橋式三相模塊單元(Mi)每相的B’端分別連接到第i+Ι個H橋式三相模塊單元(Mi+1)的B端即
Ua(i+D、Ub(i+D、Uc(i+1)， N個H橋式三相模塊單元連接后，第N個H橋式三相模塊單元(Mn)每相的B’端分別與第一電感(Lap)、第二電感(Lbp)和第三電感(Lcp)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述H橋式三相模塊單元串聯(lián)組合高壓變換器，其特征在于，高壓變換器的的下橋臂由3個橋臂電感與N個串聯(lián)連接的H橋式三相模塊單元依次連接構(gòu)成，第四電感(Lan)、第五電感(Lbn)和第六電感(Len)分別與第N+1個H橋式三相模塊單元(MN+1)每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)、Ue(N+1)相連接，第N+1個H橋式三相模塊單元(MN+1)每相的B’端與第N+2個H橋式三相模塊單元(Mn+2)的B端即Ua(N+2)、Ub(N+2)、Uc(N+2)相連接，依此規(guī)律，N個模塊連接后， 第2N個三相模塊單元(M2n)每相的B’端即a_、b_、c_端連接到電源(V)的負極。
【文檔編號】H02M7/49GK103701348SQ201310719788
【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)