一种五电平电力电子变换器及方法技术

本发明专利技术公开一种五电平电力电子变换器及方法，变换器的单相结构包括半桥单元、联接开关管和联接电容；第一半桥单元的直流负极端子和第二半桥单元的直流正极端子则通过联接电容相连，第一半桥单元的交流端子通过第一联接开关管与第三半桥单元的直流正极端子相连，第二半桥单元的交流端子通过第二联接开关管与第四半桥单元的直流负极端子相连；第三半桥单元的直流负极端子与第四半桥单元的直流正极端子直接相连，而第三半桥单元的交流端子和第四半桥单元的交流端子将分别与第五半桥单元的直流正极端子和直流负极端子相连，第五半桥单元的交流端子为输出端。本发明专利技术整体上缩减了变换器的体积，适合应用于中高压大功率场合。适合应用于中高压大功率场合。适合应用于中高压大功率场合。

【技术实现步骤摘要】
一种五电平电力电子变换器及方法


[0001]本专利技术属于变换器领域，涉及一种五电平电力电子变换器及方法。

技术介绍

[0002]随着现代社会经济水平和消费水平的不断提高，人类对能源的需求不断增大。同时，频繁的人类社会活动引起的环境问题也日渐突出。面对能源和环境这两大危机，“清洁绿色、高效节能”成为了全球共同的倡导。从能源消费侧的角度考虑，提升能源变换和利用的效率，减少消费过程中的能量损耗，将是发展的重点。而中压大功率电机变频驱动一直是能源消费的主要部分，其被大量应用在石化业、矿业、污水处理、机车牵引、舰船驱动等重要工业领域。因此，减少中压电机驱动系统的损耗和体积成本，成为了广泛研究的对象。
[0003]多电平变换器，具有等效开关频率高、所需滤波器体积小、开关器件应力小，输出电压波形质量高等诸多显著优势，是目前中压电机驱动系统的核心组成部分，也是优化整个电机驱动系统性能的关键所在。传统的多电平变换器拓扑主要包括：二极管钳位型变换器(NPC)、飞跨电容型变换器(FC)和级联H桥型变换器(CHB)。NPC拓扑的主开关器件应力相等，无需大量悬浮电容且结构简单，现已被大量商用，但是随着电平数的增加，所需的钳位二极管数量将急剧增加，带来了极大的成本提升和可靠性的降低。同时，NPC拓扑中直流侧电容电压的均衡问题和不同开关器件间的损耗差异问题对系统的稳定运行也提出了很大的挑战；FC拓扑没有NPC的直流侧电容均衡问题，控制相对简单。但是该变换器所需悬浮电容数量多，并且随着电平数的增加，电容数量也进一步增多，导致预充电电路复杂，整个系统的体积庞大；CHB变换器具有模块化的特点，易于实现更高电平的拓展，但是其为了给每个模块提供独立的直流电源，一般采用移相变压器供电，导致最终变换器的体积庞大、成本高昂。
[0004]综合而言，在目前的工业应用中尚缺乏一种比较完善的多电平变换器拓扑。因此，根据中压电机驱动领域快速发展的需要，提出一种高性能、高可靠、小体积的新型多电平变换器具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对6kV及以下电压等级的电机驱动系统，考虑到传统多电平变换器存在的各种问题，提出了一种新型的高性能、结构简单的五电平电力电子变换器及控制方法。相比于传统变换器，使用了更少的悬浮电容，且电容容量也相对减少，整体上缩减了变换器的体积，适合应用于中高压大功率场合。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案。
[0007]一种五电平电力电子变换器，所述变换器的单相结构包括半桥单元、联接开关管和联接电容；
[0008]五个所述半桥单元均是三端口结构，其中，第一半桥单元的直流正极端子以及第二半桥单元的直流负极端子用于分别与直流母线的正负极连接；第一半桥单元的直流负极
端子和第二半桥单元的直流正极端子则通过联接电容相连，第一半桥单元的交流端子通过第一联接开关管与第三半桥单元的直流正极端子相连，第二半桥单元的交流端子通过第二联接开关管与第四半桥单元的直流负极端子相连；第三半桥单元的直流负极端子与第四半桥单元的直流正极端子直接相连，而第三半桥单元的交流端子和第四半桥单元的交流端子将分别与第五半桥单元的直流正极端子和直流负极端子相连，第五半桥单元的交流端子为输出端。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，所述第一半桥单元、第二半桥单元、第三半桥单元及第四半桥单元均包括两个开关管和电容，两个开关管串联连接再与电容并联；
[0010]所述第五半桥单元包括两个开关管，两个开关管串联连接。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述第一半桥单元、第二半桥单元均包括两个开关管和电容，两个开关管串联连接再与电容并联；
[0012]所述第三半桥单元及第四半桥单元均包括开关管、钳位二极管和电容，开关管、钳位二极管连接再与电容并联；
[0013]所述第五半桥单元包括两个开关管，两个开关管串联连接。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所所述电容的额定电压为直流母线电压的四分之一。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所所述联接电容额定电压为直流母线电压的二分之一。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述联接开关管和开关管为绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管或可关断晶闸管。
[0017]一种五电平电力电子变换器的调制方法，包括以下步骤：
[0018]控制变换器中开关管的导通和关断输出V
dc
、3V
dc
/4、V
dc
/2、V
dc
/4和0共5种不同电平；
[0019]在变换器中第一半桥单元和第二半桥单元控制信号相同、第三半桥单元和第四半桥单元控制信号相同，则5个半桥单元需要3路独立的开关控制信号；再加上两个联接开关管始终互补导通，其需要单独的一路控制信号；通过四路独立的开关控制信号分别控制对应的一路开关管，其余开关管的控制信号可通过对该四路信号取同或取异得到。
[0020]一种五电平电力电子变换器的调制方法，包括以下步骤：
[0021]控制变换器中开关管的导通和关断输出V
dc
、3V
dc
/4、V
dc
/2、V
dc
/4和0共5种不同电平；
[0022]变换器的第一半桥单元和第二半桥单元控制信号相同，第三半桥单元的开关管和第五半桥单元的开关管互补导通，第五半桥单元的开关管和第四半桥单元的开关管互补导通，需四路独立的开关信号分别控制对应的一路开关管，其余开关管的控制信号可通过对该四路信号取同或取异得到。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术的五电平电力电子变换器，具有五个结构相同的半桥单元，整体结构简单，控制方便灵活，在保证了结构中所有开关管的电压应力均为直流母线电压的四分之一的基础上，所用悬浮电容数少，预充电电路简单，且具有公共的直流母线，省去了体积庞大的移相变压器；作为本专利技术的进一步改进拓扑，在保持了上述拓扑的优点外，还进一步节省了变换器的体积和成本，二者均适用于中高压大功率应用场合。
附图说明
[0025]在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本专利技术公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本专利技术的理解，并不是具体限定本专利技术各部件的形状和比例尺寸。在附图中：
[0026]图1本专利技术的五电平变换器1的单相结构图；
[0027]图2半桥单元结构图；
[0028]图3本专利技术的五电平变换器1的三相结构图；
[0029]图4本专利技术的五电平变换器2的单相结构图；
[0030]图5本专利技术的五电平变换器2的三相结构图；
[0031]图6变换器1开关状态为B1时的电流流通路径；
[0032]图7五电平载波移相调制原理；
[0033]图8参考电压在
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种五电平电力电子变换器，其特征在于，所述变换器的单相结构包括半桥单元、联接开关管和联接电容；五个所述半桥单元均是三端口结构，其中，第一半桥单元的直流正极端子以及第二半桥单元的直流负极端子用于分别与直流母线的正负极连接；第一半桥单元的直流负极端子和第二半桥单元的直流正极端子则通过联接电容相连，第一半桥单元的交流端子通过第一联接开关管与第三半桥单元的直流正极端子相连，第二半桥单元的交流端子通过第二联接开关管与第四半桥单元的直流负极端子相连；第三半桥单元的直流负极端子与第四半桥单元的直流正极端子直接相连，而第三半桥单元的交流端子和第四半桥单元的交流端子将分别与第五半桥单元的直流正极端子和直流负极端子相连，第五半桥单元的交流端子为输出端。2.根据权利要求1所述的五电平电力电子变换器，其特征在于，所述第一半桥单元、第二半桥单元、第三半桥单元及第四半桥单元均包括两个开关管和电容，两个开关管串联连接再与电容并联；所述第五半桥单元包括两个开关管，两个开关管串联连接。3.根据权利要求1所述的五电平电力电子变换器，其特征在于，所述第一半桥单元、第二半桥单元均包括两个开关管和电容，两个开关管串联连接再与电容并联；所述第三半桥单元及第四半桥单元均包括开关管、钳位二极管和电容，开关管、钳位二极管连接再与电容并联；所述第五半桥单元包括两个开关管，两个开关管串联连接。4.根据权利要求2或3所述的五电平电力电子变换器，其特征在于，所述电容的额定电压为直流母线电压的四分之一。5.根据权利要求2或3所述的五电平电力电子变换器，其特征在于，所述联接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘进军，邓智峰，杜思行，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：