一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，功率單元二左側(cè)為整流側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子1和2相互連接，最外層的功率單元一的端子1與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二整流側(cè)的端子1相連；功率單元二右側(cè)為逆變側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子1和2相互連接，最外層的功率單元一的端子1與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二逆變側(cè)的端子3相連。本發(fā)明主要用于高壓大功率場合，可在保留級(jí)聯(lián)多電平優(yōu)點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸，并方便地向更多電平進(jìn)行擴(kuò)展，滿足不同電壓等級(jí)需求。
【專利說明】一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種適用于高壓大功率場合的多電平變換器，且可方便地實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，多電平變換器是高壓大功率場合的研究熱點(diǎn)。較多電平的輸出使得變換器的輸出電壓更接近正弦，對(duì)負(fù)載的沖擊也減小，同時(shí)可顯著降低變換器的開關(guān)損耗。
[0003]目前主流的多電平變換器拓?fù)溆?二極管鉗位型、飛跨電容型以及級(jí)聯(lián)型三種。二極管鉗位型隨著電平數(shù)的增多，鉗位二極管的數(shù)量急劇增加，而飛跨電容型也存在電容數(shù)劇增的問題，所以這兩種拓?fù)渲饕糜谖咫娖揭韵碌亩嚯娖酵負(fù)鋺?yīng)用中。
[0004]傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)多電平變換器采用多個(gè)低壓功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓的輸出。級(jí)聯(lián)型多電平變換器為實(shí)現(xiàn)逆變側(cè)多電平的輸出，需要采用笨重的多抽頭移相變壓器獲得多組獨(dú)立直流電源，而為實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，需要在整流測(cè)增加許多功率開關(guān)，這些都造成變換器成本的上升及故障率的增加。隨著電壓等級(jí)的提高，傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)多電平變換器在以上兩處的缺陷愈發(fā)明顯。此外，傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)多電平無法實(shí)現(xiàn)交直交功率變換器中的背靠背連接，在電機(jī)調(diào)速場合應(yīng)用受到了限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有多電平變換器技術(shù)上的問題，本發(fā)明提出一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器。本拓?fù)湓诠β蕟卧骷怀惺鼙締卧绷鱾?cè)低壓的情況下，實(shí)現(xiàn)多電平的整流、逆變側(cè)輸出，且直接支持級(jí)聯(lián)多電平變換器的背靠背運(yùn)行。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，功率單元二左側(cè)為整流側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二整流側(cè)的端子I相連；功率單元二右側(cè)為逆變側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二逆變側(cè)的端子3相連。
[0008]所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，所述功率單元一包括功率開關(guān)S1、S2、S3、S4及電容，功率開關(guān)SI的集電極與功率開關(guān)S3的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)SI的發(fā)射極與功率開關(guān)S2的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S3的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S2的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
[0009]所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，所述功率單元二包括功率開關(guān)S5、S6、S7、S8、S9、SlO及電容，功率開關(guān)S5的集電極與功率開關(guān)S7、S9的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)S5的發(fā)射極與功率開關(guān)S6的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S7的發(fā)射極與功率開關(guān)S8的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S9的發(fā)射極與功率開關(guān)SlO的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子3 ;功率開關(guān)S6的發(fā)射極與功率開關(guān)S8、S10的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
[0010]所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，所述電容值選取均為5000 μ F的電容，所有功率開關(guān)均選用100A/1200V的絕緣柵型雙極晶體管IGBT。
[0011]提供一種易于向更多電平擴(kuò)展，且能方便實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸?shù)男滦蜔o變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器拓?fù)?。本設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，所需元器件數(shù)量較少。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1 一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器拓?fù)鋱D；
[0013]圖2功率單元一的結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3功率單元二的結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0016]變換器為三相對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)，主要包括功率單元(I)及功率單元(2)。
[0017]如圖1所示，A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，對(duì)于功率單元二的左側(cè)(后稱為整流側(cè)，同樣的，功率單元二右側(cè)稱為逆變側(cè))。多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二的端子I相連；對(duì)于逆變側(cè)，多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二的端子3相連。
[0018]變換器的輸出電平數(shù)可通過增加功率單元一的方式進(jìn)行擴(kuò)展性增加。擴(kuò)展方式為，A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，并以此為中心進(jìn)行對(duì)稱擴(kuò)展。對(duì)于功率單元二的左側(cè)(后稱為整流側(cè)，同樣的，功率單元二右側(cè)稱為逆變側(cè))。多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二的端子I相連；對(duì)于逆變側(cè)，多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二的端子3相連。擴(kuò)展的功率單元個(gè)數(shù)按照所需輸出的電壓電平數(shù)來確定。
[0019]如圖2、圖3所示，圖中的電容值選取均為SOOOyF的電容，所有功率開關(guān)均選用100A/1200V的絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)。
[0020]功率單元一包括以下組件:功率開關(guān)S1、S2、S3、S4及電容。功率開關(guān)SI的集電極與功率開關(guān)S3的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)SI的發(fā)射極與功率開關(guān)S2的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S3的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S2的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
[0021]功率單元二包括以下組件:功率開關(guān)55、56、57、58、59、510及電容。功率開關(guān)S5的集電極與功率開關(guān)S7、S9的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)S5的發(fā)射極與功率開關(guān)S6的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S7的發(fā)射極與功率開關(guān)S8的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S9的發(fā)射極與功率開關(guān)SlO的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子3 ;功率開關(guān)S6的發(fā)射極與功率開關(guān)S8、S10的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
[0022]A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，并以此為中心可根據(jù)電壓等級(jí)的需要進(jìn)行對(duì)稱擴(kuò)展。對(duì)于整流側(cè)，多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元以的端子I與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元以的端子2與功率單元二的端子I相連；對(duì)于逆變側(cè)，多個(gè)擴(kuò)展的不同功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二的端子3相連。
[0023]該多電平變換器的工作原理為:
[0024]首先選定整流側(cè)或者逆變側(cè)作為優(yōu)先控制側(cè)，然后以另一側(cè)作為配合控制側(cè)進(jìn)行控制。由于兩種選擇方式成對(duì)稱關(guān)系，所以下面以整流側(cè)作為優(yōu)先控制側(cè)進(jìn)行闡述:
[0025]當(dāng)以整流側(cè)作為優(yōu)先控制側(cè)進(jìn)行控制時(shí)，任一功率單元一中功率開關(guān)S1、S4導(dǎo)通，S2、S3關(guān)斷時(shí)，該功率單元輸出電壓為Vdc (Vdc為該功率單元電容端電壓)；功率開關(guān)S1、S4關(guān)斷，S2、S3導(dǎo)通時(shí)，該功率單元輸出電壓為-Vdc ;當(dāng)S1、S3導(dǎo)通，S2、S4關(guān)斷或者S1、S3關(guān)斷，S2、S4導(dǎo)通時(shí)，該功率單元輸出電壓為O。對(duì)于功率單元二，由于整流側(cè)作為優(yōu)先控制側(cè)，所以S5、S6、S7、S8的控制權(quán)限交由整流側(cè)，此時(shí)有:功率單元二中功率開關(guān)S5、S8導(dǎo)通，S6、S7關(guān)斷時(shí)，該功率單元輸出電壓為Vdc (Vdc為該功率單元電容端電壓)；功率開關(guān)S5、S8關(guān)斷，S6、S7導(dǎo)通時(shí)，該功率單元輸出電壓為-Vdc ;當(dāng)S5、S7導(dǎo)通，S6、S8關(guān)斷或者S5、S7關(guān)斷，S6、S8導(dǎo)通時(shí)，該功率單元輸出電壓為O。由于三相中各相的每個(gè)多個(gè)功率單元一是逐個(gè)串聯(lián)連接，連接之后與功率單元二連接，由這些串聯(lián)的功率單元輸出的電平疊加，即可在A、B、C端口上獲得多電平的電壓輸出，而整流側(cè)配合傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)多電平電容電壓平衡方法，即可達(dá)成電容電壓平衡控制的目的。
[0026]對(duì)于逆變側(cè)，由于作為配合控制側(cè)，故必須結(jié)合整流側(cè)的工作狀態(tài)進(jìn)行工作。具體做法闡述如下:
[0027]當(dāng)整流側(cè)的功率單元二輸出Vdc時(shí)，由于S7關(guān)斷，S8導(dǎo)通。逆變側(cè)的功率單元二輸出電壓選擇范圍受限，則只可使S9開通，SlO關(guān)斷輸出Vdc狀態(tài)；或者S9關(guān)斷，SlO開通，輸出O狀態(tài)，如果控制中需要輸出-Vdc狀態(tài)時(shí)，必須借助功率單元一進(jìn)行輸出，比如將功率單元一進(jìn)行如下控制:功率開關(guān)S1、S4關(guān)斷，S2、S3導(dǎo)通。同樣的，其他的開關(guān)狀態(tài)也類似。此時(shí)，逆變側(cè)功率單元一、功率單元二的開關(guān)狀態(tài)必須結(jié)合各自單元中的電容電壓、流經(jīng)的電流進(jìn)行綜合控制，組合輸出所需要的端口電平。比如，Vdc, -Vdc狀態(tài)可由功率單元一或者功率單元二單獨(dú)輸出；而O狀態(tài)可由功率單元一輸出Vdc，功率單元二輸出-Vdc得到，或者由功率單元一輸出-Vdc，功率單元二輸出Vdc得到。至于采用哪種組合，由當(dāng)前的電流方向及電容電壓的高低進(jìn)行綜合判斷決定。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，其特征為:A、B、C三相的功率單元二的端子2連接在一起，功率單元二左側(cè)為整流側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與電網(wǎng)相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二整流側(cè)的端子I相連；功率單元二右側(cè)為逆變側(cè)與多個(gè)功率單元一級(jí)聯(lián)，上述級(jí)聯(lián)的功率單元一之間的端子I和2相互連接，最外層的功率單元一的端子I與負(fù)載相連，最內(nèi)層的功率單元一的端子2與功率單元二逆變側(cè)的端子3相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，其特征在于:所述功率單元一包括功率開關(guān)S1、S2、S3、S4及電容，功率開關(guān)SI的集電極與功率開關(guān)S3的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)SI的發(fā)射極與功率開關(guān)S2的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S3的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S2的發(fā)射極與功率開關(guān)S4的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，其特征在于:所述功率單元二包括功率開關(guān)S5、S6、S7、S8、S9、SlO及電容，功率開關(guān)S5的集電極與功率開關(guān)S7、S9的集電極、電容的正極相連；功率開關(guān)S5的發(fā)射極與功率開關(guān)S6的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子I ;功率開關(guān)S7的發(fā)射極與功率開關(guān)S8的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子2 ;功率開關(guān)S9的發(fā)射極與功率開關(guān)SlO的集電極相連，同時(shí)作為與外部連接的端子3 ;功率開關(guān)S6的發(fā)射極與功率開關(guān)S8、S10的發(fā)射極相連，同時(shí)與電容的負(fù)極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的無變壓器交直交級(jí)聯(lián)多電平變換器，其特征在于:所述電容采用電解電容或薄膜電容，功率開關(guān)采用絕緣柵型雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管IGCT或金屬-氧化層半導(dǎo)體場效晶體管MOSFET等器件。
【文檔編號(hào)】H02M5/458GK103762856SQ201410013049
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】葉宗彬, 鐘明霞 申請(qǐng)人:葉宗彬