一種最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，電路拓撲結構的橋臂電路包括直流電容、功率開關器件、鉗位二極管和反向續(xù)流二極管，其中每兩個功率開關器件僅配置一個反向續(xù)流二極管。相比較于現有技術中，本實用新型所公開的變流器電路的電子元件最少，提高了電路的集成度，同時電子元件的減少也能減少電路的故障率，加配緩沖電路還可以起到減少功率開關器件關斷時的尖峰電壓的作用，進一步提高電路的穩(wěn)定性。
【專利說明】—種最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及功率變頻器領域，更具體地說，涉及一種二極管中位鉗位式三電平逆變器的電路。
【背景技術】
[0002]出于節(jié)約能源、提高生產效率，降低生產成本的目的，采用高壓大功率變頻器成為人們的首選，為了解決低壓(中壓)主開關器件在高壓應用情況下的矛盾，國外許多學者提出了多電平逆變技術，近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，多電平逆變技術逐步被應用于多個社會領域。
[0003]對于具有高速開關特性的開關功率器件，是不允許直接串聯的，否則由于器件開關特性的分散性，中間回路的高電壓直接加在晚開通的器件上，使晚開通開關功率可能承受高壓而被擊穿，進而導致整個橋臂上開關功率器件損壞。這種情況下采用開關功率器件直接串聯將帶來麻煩的開關功率器件的靜態(tài)和動態(tài)的均壓問題。大容量開關器件的發(fā)展也會隨其物理性質而逐漸達到極限，而且容量越大，器件成本越高，實用性、可靠性就會大大降低。
[0004]目前高壓變頻器的電路拓撲結構種類較多，相應的開關功率器件容量也越來越大，其主要有3種基本的拓撲結構:1.H橋級連式；2.電容鉗位式；3.二極管鉗位式。其中應用最廣泛的是第三種。這些直接高壓變頻器拓撲結構因輸出電壓比通用二電平變頻器輸出電平數多，所以被稱為多電平變頻器。所謂多電頻逆變技術，就是指逆變器輸出相對于中間直流回路中點有多個電平。當電平數為3時，成為三電平逆變器，并可以此類推。
[0005]作為三電平逆變器的一種，二極管中位鉗位式三電平逆變器，其具有直流側耐壓高的優(yōu)點。由于這一優(yōu)點，二極管中位鉗位式三電平逆變器在電機領域中得到了廣泛的應用。在電機領域中，直流電壓越高，意味著電感上的電流可以變化的更快，也就是說，電流的跟蹤性能會更好。交流側相電壓有三個電平，對于三相三電平變流器，線電壓可以有5個電平。更多的電平數量，意味著諧波成份比較低。
[0006]目前在現有技術中，二極管中位鉗位式三電平逆變器電路中，如圖1所示，在每個功率開關器件上都有一個反向并聯的續(xù)流二極管，每個橋臂上的每相都有4個反向續(xù)流二極管。電子元件多，就會造成整體體積大，半導體元器件的集成度下降，另一方面，單個橋臂上元件越多，該電路的可靠度就越低，任何一個元件出現故障都會造成整體電路故障。所以，在保證整體電路的性能的前提下，盡可能降低電路中的元件數量，就成為解決上述問題的關鍵。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種在保證整體電路的前提下，電路中元件最少的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器。
[0008]上述技術問題可以通過如下的技術手段加以解決:一種最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，電路拓撲結構由上、下兩個橋臂電路構成，所述上橋臂電路包括上半直流電容、第一功率開關器件、第二功率開關器件、上半鉗位二極管和上半反向續(xù)流二極管，下半橋臂電路包括下半直流電容、第三功率開關器件、第四功率開關器件、下半鉗位二極管、下半反向續(xù)流二極管，其中上半橋臂的第一功率開關器件與上半直流電容、上半鉗位二極管串聯，上半反向續(xù)流二極管與第二功率開關器件串聯后并聯在第一功率開關器件上；下半橋臂的第四功率開關器件與下半直流電容、下半鉗位二極管串聯，下半反向續(xù)流二極管與第三功率開關器件串聯后并聯在第四功率開關器件上；第二功率開關器件和第三功率開關器件相連接并且同時與所在橋臂電路的輸出端相連接，上半直流電容和下半直流電容相連接并且同時與所在橋臂電路的另一直流端相連接。
[0009]由上述具體實施例可知，相對于現有技術每個功率開關器件要配置一個反向續(xù)流二極管而言，在本發(fā)明中每兩個功率開關器件只需要配置一個反向續(xù)流二極管，這樣單相就可以節(jié)省兩個反向續(xù)流二極管，雙相就可以節(jié)省四個、三相就可以節(jié)省六個反向續(xù)流二極管。節(jié)省了電子元件，從而提高電路集成度。
[0010]所述最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器的電路拓撲結構還包括有緩沖電路，在每相的橋臂中，所述緩沖電路分為上半緩沖電路和下半緩沖電路，其中上半緩沖電路并聯在所述上半橋臂的第一開關功率件上，下半緩沖電路并聯在所述下半橋臂的第四開關功率件上。
[0011]緩沖電路的配置是為了盡可能地減少關斷功率開關器件時尖峰電壓對電路的影響，提聞整體電路的穩(wěn)定性和使用壽命。
[0012]所述上半緩沖電路由上半緩沖電容、上半緩沖電容放電二極管和上半緩沖電容放電電阻構成，其中上半緩沖放電二極管與上半緩沖電容串聯，上半緩沖電容放電電阻并聯在上半緩沖放電二極管兩端，上半緩沖電路通過上半緩沖電容和上半緩沖放電二極管并入上橋臂電路。
[0013]所述下半緩沖電路由下半緩沖電容、下半緩沖電容放電二極管和下半緩沖電容放電電阻構成，其中下半緩沖放電二極管與下半緩沖電容串聯，下半緩沖電容放電電阻并聯在下半緩沖放電二極管兩端，下半緩沖電路通過下半緩沖電容和下半緩沖放電二極管并入下橋臂電路。
[0014]所述上半直流電容并聯有一個上半過電壓緩沖電容，下半直流電容并聯有一個下半過電壓緩沖電容。
[0015]所述上、下半直流電容的理想耐壓值為直流總電壓的一半。
[0016]所述第一功率開關器件、第二功率開關器件、第三功率開關器件和第四功率開關器件為可控開關功率開關器件。
[0017]所述變流器的電路結構可以為單相、雙相或三相電路。
[0018]所述變流器的三相電路結構為三相三線或三相四線電路。
[0019]所述可控開關功率開關器件為MOSFET，IGBT, IGCT中的一種或幾種的組合。但是并不限于這幾種的類型以及組合。
[0020]本實用新型的有益之處在于:相比較于現有技術中每個功率開關元件都需要并聯一個反向續(xù)流二極管的現狀，本實用新型的設計時每個橋臂中的反向續(xù)流二極管的數量減少了一半，電路的相數越多，所能節(jié)約的電子元件的數目越多，從而提高了電路的集成度，同時電子元件的減少也能減少電路的故障率，緩沖電路還可以起到減少功率開關器件關斷時的尖峰電壓的作用，進一步提高電路的穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是現有技術的拓撲結構不意圖(二相電路)；
[0022]圖2是具體實施例一的拓撲結構示意圖(單相電路)；
[0023]圖3是具體實施例二的拓撲結構示意圖(雙相電路)；
[0024]圖4是具體實施例二的拓撲結構不意圖(二相二線電路)；
[0025]圖5是具體實施例二的拓撲結構不意圖(二相四線電路)；
[0026]圖6是具體實施例四的拓撲結構示意圖包含緩沖電路(單相電路)。
【具體實施方式】
[0027]如圖2所示的具體實施例一,本具體實施例所示的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器的電路為單相電路，其電路拓撲結構由上、下兩個橋臂電路構成，所述上橋臂電路包括上半直流電容Cdl、第一功率開關器件S1、第二功率開關器件S2、上半鉗位二極管Dcl和上半反向續(xù)流二極管D1，下半橋臂電路包括下半直流電容Cd2、第三功率開關器件S3、第四功率開關器件S4、下半鉗位二極管Dc2、下半反向續(xù)流二極管D2，其中上半橋臂的第一功率開關器件SI與上半直流電容Cdl、上半鉗位二極管Dcl串聯，上半反向續(xù)流二極管Dl與第二功率開關器件S2串聯后并聯在第一功率開關器件SI上；下半橋臂的第四功率開關器件S4與下半直流電容Cd2、下半鉗位二極管Dc2串聯，下半反向續(xù)流二極管D2與第三功率開關器件S3串聯后并聯在第四功率開關器件S2上；第二功率開關器件和第三功率開關器件相連接并且同時與所在橋臂電路的輸出端ACl相連接，上半直流電容Cdl和下半直流電容Cd2相連接并且同時與所在橋臂電路的另一直流端AC2相連接。
[0028]如圖3所示的具體實施例二，其與具體實施例一的區(qū)別在于，本具體實施例為一個雙相電路，其電路拓撲結構也由上、下兩個橋臂構成，它的上橋臂電路包括上半直流電容Cdl、第一功率開關器件(a相的Sal、b相的Sbl)、第二功率開關器件(a相的Sa2、b相的Sb2)、上半鉗位二極管(a相的Dcal、b相的Dcbl)和上半反向續(xù)流二極管(a相的Dal、b相的Dbl)，下半橋臂電路包括下半直流電容Cd2、第三功率開關器件(a相的Sa3、b相的Sb3)、第四功率開關器件(a相的Sa4、b相的Sb4)、下半鉗位二極管(a相的Dca2、b相的Dcb2)和下半反向續(xù)流二極管(a相的Da2、b相的Db2).其中上半直流電容Cdl和下半直流電容Cd2串聯并且為a、b相所共用，其余每相上的電子元件連接方式同具體實施例1，第二功率開關器件和第三功率開關器件相連接并且同時與所在橋臂電路的輸出端ACl相連接，上半直流電容Cdl和下半直流電容Cd2相連接并且同時與所在橋臂電路的另一直流端AC2相連接。
[0029]如圖4及圖5所示的具體實施例三，其與上述兩個具體實施例的區(qū)別在于，本具體實施例為一個三相電路，其電路拓撲結構同樣由上、下兩個橋臂構成，它的上橋臂電路包括上半直流電容Cdl、第一功率開關器件(a相的Sal、b相的Sbl、c相的Scl)、第二功率開關器件(a相的Sa2、b相的Sb2、c相的Sc2)、上半鉗位二極管(a相的DcaUb相的DcbUc相的gccl)和上半反向續(xù)流二極管(a相的Dal、b相的Dbl、c相的Del)，下半橋臂電路包括下半直流電容Cd2、第三功率開關器件(a相的Sa3、b相的Sb3、c相的Sc3)、第四功率開關器件(a相的Sa4、b相的Sb4、c相的Sc4)、下半鉗位二極管(a相的Dca2、b相的gcb2、c相的gcc2)和下半反向續(xù)流二極管(a相的Da2、b相的Db2、c相的Dc2).其中上半直流電容Cdl和下半直流電容Cd2串聯并且為a、b、c三相相所共用，其余每相上的電子元件連接方式同具體實施例一，第二功率開關器件和第三功率開關器件相連接并且同時與所在橋臂電路的輸出端相連接，上半直流電容Cdl和下半直流電容Cd2相連接并且同時與所在橋臂電路的另一直流端相連接。
[0030]如圖6所示的具體實施例四，其與上述三個實施例的區(qū)別在于，本具體實施例為一個帶有緩沖電路的單相電路，其主電路的拓撲結構與具體實施例一相同，緩沖電路分為上半緩沖電路和下半緩沖電路，其中上半緩沖電路由上半緩沖電容Cs 1、上半緩沖電容放電二極管Dcsl和上半緩沖電容放電電阻Rcsl構成，其中上半緩沖放電二極管Dcsl與上半緩沖電容Csl串聯，上半緩沖電容放電電阻Rcsl并聯在上半緩沖放電二極管Dcsl兩端，上半緩沖電路通過上半緩沖電容Csl和上半緩沖放電二極管Dcsl的自由端并入上橋臂電路并聯在上半橋臂的第一開關功率件SI上；下半緩沖電路由下半緩沖電容Cs2、下半緩沖電容放電二極管Dcs2和下半緩沖電容放電電阻Rcs2構成，其中下半緩沖放電二極管Dcs2與下半緩沖電容Cs2串聯，下半緩沖電容放電電阻Rcs2并聯在下半緩沖放電二極管Dcs2兩端，下半緩沖電路通過下半緩沖電容Cs2和下半緩沖放電二極管Dcs2的自由端并入下橋臂電路并聯在下半橋臂的第四開關功率件SI上。此外，在上半直流電容Cdl的兩端還并聯有一個上半過電壓緩沖電容CovI，在下半直流電容Cdl的兩端還并聯有一個下半過電壓緩沖電容 Cov2。
[0031]在所有上述實施例中，第一、二、三、四功率開關器件為可控開關功率開關器件，上、下半直流電容的理想耐壓值為直流總電壓的一半。
[0032]以上實施例是供理解本實用新型之用，并非是對本實用新型的限制，有關領域的普通技術人員，在權利要求所述技術方案的基礎上，還可以作出多種變化或變型，比如可控開關功率開關器件為MOSFET，IGBT, IGCT中的一種或幾種的組合，但是并不限于這幾種的類型以及組合，能夠達到技術要求的功率開關器件都可以采用，這些變化或變型應當理解為仍屬于本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，電路拓撲結構由上、下兩個橋臂電路構成，其特征在于:所述上橋臂電路包括上半直流電容、第一功率開關器件、第二功率開關器件、上半鉗位二極管和上半反向續(xù)流二極管，下半橋臂電路包括下半直流電容、第三功率開關器件、第四功率開關器件、下半鉗位二極管、下半反向續(xù)流二極管，其中上半橋臂的第一功率開關器件與上半直流電容、上半鉗位二極管串聯，上半反向續(xù)流二極管與第二功率開關器件串聯后并聯在第一功率開關器件上；下半橋臂的第四功率開關器件與下半直流電容、下半鉗位二極管串聯，下半反向續(xù)流二極管與第三功率開關器件串聯后并聯在第四功率開關器件上；第二功率開關器件和第三功率開關器件相連接并且同時與所在橋臂電路的輸出端相連接，上半直流電容和下半直流電容相連接并且同時與所在橋臂電路的另一直流端相連接。
2.根據權利要求1所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器的電路拓撲結構還包括有緩沖電路，在每相的橋臂中，所述緩沖電路分為上半緩沖電路和下半緩沖電路，其中上半緩沖電路并聯在所述上半橋臂的第一開關功率件上，下半緩沖電路并聯在所述下半橋臂的第四開關功率件上。
3.根據權利要求2所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述上半緩沖電路由上半緩沖電容、上半緩沖電容放電二極管和上半緩沖電容放電電阻構成，其中上半緩沖放電二極管與上半緩沖電容串聯，上半緩沖電容放電電阻并聯在上半緩沖放電二極管兩端，上半緩沖電路通過上半緩沖電容和上半緩沖放電二極管并入上橋臂電路。
4.根據權利要求2所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述下半緩沖電路由下半緩沖電容、下半緩沖電容放電二極管和下半緩沖電容放電電阻構成，其中下半緩沖放電二極管與下半緩沖電容串聯，下半緩沖電容放電電阻并聯在下半緩沖放電二極管兩端，下半緩沖電路通過下半緩沖電容和下半緩沖放電二極管并入下橋臂電路。
5.根據權利要求2所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述上半直流電容并聯有一個上半過電壓緩沖電容，下半直流電容并聯有一個下半過電壓緩沖電容。
6.根據權利要求1所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述上、下半直流電容的理想耐壓值為直流總電壓的一半。
7.根據權利要求1所述的最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述第一功率開關器件、第二功率開關器件、第三功率開關器件和第四功率開關器件為可控開關功率開關器件。
8.根據權利要求1至7任一項所述最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述變流器的電路結構為單相、雙相或三相電路的任意一種。
9.根據權利要求8所述最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述變流器的三相電路結構為三相三線或三相四線電路。
10.根據權利要求7所述最少元件的中點鉗位式三電平可控開關變流器，其特征在于:所述可控開關功率開關器件為MOSFET，IGBT, IGCT中的一種或幾種的組合。
【文檔編號】H02M7/487GK203562975SQ201320592588
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權日:2013年9月25日
【發(fā)明者】趙正毅, 王利 申請人:王利, 趙正毅