单相五电平功率变换器制造技术

一种单相五电平电压型功率变换器，由一个传统的三相桥和两个耦合电感构成。所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂的输出端分别与所述的两个耦合电感的两个非公共连接点相连，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述的两个耦合电感为顺接连接。本发明专利技术可作为单相逆变器、整流器等功率变换器，也可以由三个该变换器构成三相五电平功率变换器以便应用于三相场合；在需要高电压的场合，也可以通过本五电平功率变换器的级联构成更多电平数的功率变换器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多电平电力电子功率变换器，特别涉及一种单相五电平电压型功率变 换器。
技术介绍
为了提高电压耐受等级，减小输出电压的谐波含量，以及减小由于较高的dv/dt 而造成的电磁干扰等目的，多电平电力电子功率变换器一直以来都获得了广泛的关注和研 究，也产生了大量的实际应用装置。国内外相关的研究机构及研发企业和单位也提出了多 种拓扑结构的多电平功率变换器。然而，目前几乎所有的多电平电力电子功率变换器都是通过采用多个直流电源来 实现输出电压的多个电平。例如，传统的级联H桥型多电平变换器需要采用多个独立的直 流电源；而二极管箝位型多电平变换器和飞跨电容型多电平变换器均通过分裂电容来获得 多个电平的直流电压，间接地得到了多个直流电源。在已有专利中，美国专利US6005788、 US7219673、US20060044857 和 US20090237962 以及中专利 200610019724,200710062642, 200520044611. 2,200720083744. X,200810204472,200710064575.X,200710114460.7、 200710144523. 3,200810105139. 7,200810118834. 7,200810118835. 1,200910045506.3 等 等均是采用了多个变压器获得独立直流电源或者通过分裂直流电容电压的方式来获得多 个电平的输出电压。然而，采用多个变压器获得独立直流电源时会增加变换器的体积和重 量；而采用分裂直流电容电压时又会带来直流电容电压均衡问题，且存在电力电子功率器 件直流电压应力不同的缺点，降低了系统运行的可靠性。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有单相五电平功率变换器的缺点，减少直流电压环节，消除直 流电容均压问题，在降低输出电压谐波含量的同时提高多电平功率变换器的运行可靠性。本专利技术由一个传统的三相桥和两个耦合电感构成。三相桥的三个桥臂由电力电子 功率器件构成。三相桥中的一个桥臂输出作为本专利技术单相五电平电压型功率变换器输出端 的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与两个耦合电感的两个非公共连接点相 连，耦合电感的公共连接点作为本专利技术单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端 子。同时，两个耦合电感的连接方式为顺接连接，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合 电感的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点。本专利技术单相五电平电压型功率变换器具有以下特点和优势1.只需要一个直流电源就可以产生五电平的输出电压，不存在直流电容均压问 题，系统运行可靠性高。2.每个电力电子功率器件的直流电压应力均相同，便于器件的设计和选择。3.输出电压的最小电平值为直流电压的1/2，与单相全桥型功率变换器相比可以 大大降低谐波含量和输出电压的dv/dt，也就可以降低系统运行时的电磁干扰。4.只需要在常见的三相桥基础上加入两个耦合电感即可实现，结构简单，十分便 于生产制造。5.本专利技术配置灵活，适用范围广，既可以用于单相系统也可以用于三相系统，例如 整流器、逆变器等。当模块进行级联时也可以应用于高压系统，例如高压直流输电、高压变 频器等。附图说明图1为本专利技术单相五电平功率变换器的电路原理图；图2为本专利技术单相五电平功率变换器输出电压Uab和负载电流ib的仿真波形图；图3为相应的U23的仿真计算波形图；图4为相应的U23的频谱分析图。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。如图1所示，本专利技术单相五电平功率变换器中的三相桥由第一桥臂、第二桥臂、第 三桥臂和一个直流电源构成。所述的三个桥臂由电力电子功率器件即六个全控型电力电子 开关器件S1-S6和六个二极管D1-D6构成。以S1-S6选用IGBT的情况为例，各个器件之间的 连接方式为第一桥臂由SpS2^pD2构成，S1的发射极与S2的集电极相连构成第一桥臂的 输出端1，D1的正极与S1的发射极相连，D1的负极与S1的集电极相连，D2的正极与S2的发 射极相连，D2的负极与S2的集电极相连。第二桥臂由S3、S4、D3、D4构成，S3的发射极与S4 的集电极相连构成第二桥臂的输出端2，D3的正极与S3的发射极相连，D3的负极与S3的集 电极相连，D4的正极与S4的发射极相连，D4的负极与S4的集电极相连。第三桥臂由S5、S6、 D5、D6构成，S5的发射极与S6的集电极相连构成第三桥臂的输出端3，D5的正极与S5的发射 极相连，D5的负极与S5的集电极相连，D6的正极与S6的发射极相连，D6的负极与S6的集电 极相连。Si、S3iP S5的集电极均连接到直流电源的正极，S2、S4* S6的发射极均连接到直流 电源的负极。三相桥的第一桥臂输出端1作为单相五电平功率变换器输出端的一个端子a， 三相桥的第二和第三桥臂的中点，即2和3分别连接到两个耦合电感非公共点的两个端子， 耦合电感的公共点端子作为单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。两个耦合电 感为顺接方式，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电 感非同名端的公共连接点，即单相五电平功率变换器输出端的另外一个端子b。所述的IGBT可用MOSFET及其他全控型电力电子开关器件替代。为了进一步说明本专利技术单相五电平功率变换器的工作原理，首先分析图1中两个 耦合电感的作用。假设两个耦合电感匝数相同，共同绕制在同一个铁芯上，两者的主自感均 为M;同时假设漏自感很小，即可以忽略。假设两个耦合电感的耦合系数为1，也就是说两个 耦合电感的互感也等于M。以直流电压的中点η点作为参考点，则有如下动态电压方程Mdi2/dt-Mdi3/dt = U2n-Ubn(1)Mdi3/dt_Mdi2/dt = U3n-Ubn(2)同时，根据基尔霍夫定律有i2+i3+ib = 0(3)解方程(1)-(3)式可得Ubn= (u2n+u3n)/2(4)可见，耦合电感的作用相当于将两个输入电压进行了串联。因此，单相五电平功率 变换器的输出电压为uab = Uan-Ubn = Uan- (u2n+u3n) /2 (5)可见，单相五电平功率变换器的输出电压与负载电流ib无关。令三相桥的每个桥臂上下两个开关器件均为互补工作方式，即每个桥臂只有两种 开关状态。以第一桥臂为例，S1开通时S2必须关断，S2开通时S1必须关断。因此，Uan, u2n 和u3n均可输出两个电平的电压，即+E和-E。故由(5)式可知，Uab可以输出五个电平的电 压，即+2E、+E、0、-E和-2E。因此，选择合适的调制方式，即可实现单相五电平功率变换器 的输出电压为五电平。图2为本专利技术单相五电平功率变换器输出电压Uab和负载电流ib的仿真计算波 形图，图3为电压U23的仿真计算波形图，图4为U23的频谱分析图。仿真参数为直流电压 为2E = 400V，调制方式为正弦脉宽调制，载波频率为2kHz，参考电压频率为50Hz，调制比 为0.8，两个耦合电感的主自感为5mH，负载为RL阻感串联负载，其中R= 2，L = 2mH。由 这些仿真计算结果可见，单相五电平功率变换器输出电压Uab为五电平的脉宽调制波形，且 耦合电感两端的电压中不含直流分量和基波分量，不会因调制产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相五电平功率变换器，其特征在于：所述的单相五电平功率变换器由一个三相桥和两个耦合电感构成；所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与所述的两个耦合电感的两个非公共连接点相连，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述的两个耦合电感为顺接连接。

【技术特征摘要】
一种单相五电平功率变换器，其特征在于所述的单相五电平功率变换器由一个三相桥和两个耦合电感构成；所述的三相桥中的一个桥臂的输出端作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂输出端分别与所述的两个耦合电感的两个非公共连接点相连，所述的两个耦合电感的公共连接点作为所述的单相五电平电压型功率变换器输出端的另外一个端子；所述的两个耦合电感为顺接连接。2.如权利要求1所述的单相五电平功率变换器，其特征在于所述的三相桥由第一桥 臂、第二桥臂、第三桥臂和一个直流电源构成；所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂由电力 电子功率器件即第一开关至第六开关(S1-S6)和第一至第六二极管(D1-D6)构成；以第一开 关至第六开关(S1-S6)选用IGBT的情况为例第一桥臂由第一开关饵)、第二开关(S2)、第 一二极管(D1)和第二二极管(D2)构成，第一开关(S1)的发射极与第二开关(S2)的集电极 相连构成第一桥臂的输出端1，第一二极管(D1)的正极与第一开关(S1)的发射极相连，第 一二极管(D1)的负极与第一开关(S1)的集电极相连，第二二极管(D2)的正极与第二开关 (S2)的发射极相连，第二二极管(D2)的负极与第二开关(S2)的集电极相连；第二桥臂由第 三开关(S3)、第四开关(S4)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)构成，第三开关(S3)的发射 极与第四开关(S4)的集电极相连构成第二桥臂的输出端2，第三二极管(D3)的正极与第三 开关(S3)的发射极相连，第三二极管(D3)的负极与第三开关(S3)的集电极相连，第四二极 管(D4)的正极与第四开关(S4)的发射极相连，第四二极管(D4)的负极与第四开关(S4)的集 电极相连；第三桥臂由第五开关(S5)、第六开关(S6)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)构 成，第五开关(S5)的发射极与第六开关(S6)的集电极相连构成第三桥臂的输出端3，第五二 极管(D5)的正极与第五开关(S5)的发射极相连，第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子欣，李耀华，王平，刘丛伟，朱海滨，胜晓松，刘育红，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]