专利名称：自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种AC/DC变换器的电路拓扑结构及其应用，特别是涉及一种能够应用在高压大功率等级场合，并能自动解决三相平衡控制的级联型三相桥式变换器。
背景技术：
随着电力电子半导体器件、电路集成技术的不断发展和用户对电能质量要求的不断提高，电力电子变换器越来越多地应用在大功率场合中，如电力电子变压器的高压侧、大容量电机驱动等。常用的配电电压等级为10kV/380V，部分地区为20kV/380V，但一般全控型器件的电压等级在IkV左右，因此随着整流装置功率的加大，单个器件的电压或电流承受能力往往不能适应系统的容量，不能可靠稳定地工作。为了解决上述问题，必须采用多重化技术或多电平技术来达到提升功率等级的目的。其中，多电平技术是近年来应用最多的。多电平变换器主要有二极管钳位型、电容钳位型、级联型等三种结构。级联型变换器与其它两种多电平变换器相比它使用的元器件较少，容易实现电平数较高的输出；每个变换器的子单元结构相同，容易进行模块化设计、调试、安装等；各变换器单元的负荷一致。近年来，在高压大功率等级的交流-直流(AC/DC)变换中，单相级联型H桥变换器是应用得最多的拓扑，它交流侧的端电压通过串联方式叠加，每个输出的独立直流电容与一个单相全桥变换器相连，由3个单相级联型多电平变换器在交流侧经Y型或Δ型连接可构成三相级联型变换器。但由于该结构三相彼此是独立的，三相不平衡时各相的能量不能相互补偿以致相间功率互动控制困难。因此，由单相H桥级联变换器构成的三相级联型变换器的致命弱点是三相平衡控制复杂，难以实现。但在实际中，经常会发生三相输入电源不平衡的情况，故必须要提出一种能够自动解决三相不平衡问题的级联型三相桥式变换器。三相桥式变换器可分为电压型和电流型两类。但电压型与电流型相比，前者是现在应用较多的拓扑结构，因其具有低谐波、高效率、低电磁干扰等优点，而后者的应用场合相对较少。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够应用在高压大功率等级场合并能自动解决三相平衡控制的级联型三相桥式变换器。电路本身的结构特点使该变换器在三相输入电源不平衡时，保证每个三相桥的输出直流电压自动均衡；在级联级数相同的情况下，还可以减少有源开关管数和输出滤波电容数。本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的能自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含星形连接且不带中性线的三相输入电源ua、Ub、Uc ；三个与每相电源串联的输入升压电感La、Lb、Lc，其电感值相同，三个电感的输出端分别记为A、B、C;三个结构完全相同的三相电压型桥式变换器，三个三相桥对应相上下两桥臂的连
3接点分别记为Al、Bi、Cl，A2、B2、C2和A3、B3、C3 ；每个三相电压型桥式变换器由6只型号相同的IGBT Sap, Sbp, Scp, San, Sbn, Scn,6只与IGBT反并联且型号相同的二极管D、一个输出滤波电容C和电阻负载R构成，其中，A相上桥臂开关管Sap的发射极与下桥臂开关管San的集电极相连，B相上桥臂开关管Sbp的发射极与下桥臂开关管Sbn的集电极相连，C相上桥臂开关管S。p的发射极与下桥臂开关管S。n的集电极相连，Sap, Sbp和S。p的集电极与输出滤波电容C的正极连在一起，San, Sbn和S。n的发射极与输出滤波电容C的负极连在一起，负载电阻R与输出滤波电容C并联；三个三相桥的三个输出电容分别记为Cpc2、c3，其电容值相同，三个负载电阻分别记为Ri、R2、R3，其阻值相同；三组直流输出电压分别记为Ut^UmUt53 ；三个三相桥是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为A相输入电感La的输出端A与Al相连，Bl与A2相连，B2与B相输入电感Lb的输出端B相连，C2与 B3相连，C3与C相输入电感L。的输出端C相连，A3与Cl相连。该变换器的子单元是结构完全相同的三相电压型桥式变换器或三相电流型桥式变换器；采用的开关管为全控型器件IGBT，能量为双向流动，故该变换器可以做整流器也可以做逆变器。由上述二级级联的三相桥式变换器拓扑的构造思路，可以得到由6个三相桥构成的三级级联的三相桥式变换器。在实际应用中，该拓扑可以通过优化控制方案进行简化，使其由5个三相桥就可以达到三级级联的效果。推而广之，m级级联的三相桥式变换器由2m-l 个三相桥组成，共需要12m-6只有源开关和2m-l个输出直流电容。本发明具有如下有益效果①由于本发明的三相级联型桥式变换器是通过三相输入电源的线电压间级联而构成，可使在三相电源不平衡时，三相间形成强耦合的关系以使三相间的能量可以互相补偿，从而可使每个三相桥的直流输出电压自动均衡，可以很好地克服传统的由3个单相级联H桥变换器构成的三相级联变换器三相平衡控制复杂难以实现的弱点。②由本发明的电路结构可知，在级联级数相同(m级)时，本发明比由单相H桥构成的三相级联变换器少用6只有源开关管IGBT和m+1个输出滤波电容，从而可降低变换器制作的成本及体积。③该变换器的控制方式灵活简单对未进行简化的结构，由于级联在一起的每个三相桥式整流器输出的电压、电流和功率对称，故可以采用和单个电压型三相桥式变换器相同的控制方法，也可以采用更优化的控制方式。④本发明保持了传统级联型变换器的优点开关器件电压应力低以适合应用在高压大功率等级场合，每个变换器子单元的结构相同，容易进行模块化设计、调试、安装等。
图1是本发明的二级级联的三相桥式变换器电路图。图2是按照二级级联拓扑的构造思路得到的三级级联的三相桥式变换器。图3是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图1。图4是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图2。图5是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图3。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述
参见图1，本发明的自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其二级级联拓
L形连接且不带中性线的三相输入电源Ua、Ub、Uc; 个与每相电源串联的输入升压电感La、Lb、Lc, Ξ个电感的输出端分别记为A、B权利要求
1.自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含星形连接且不带中性线的三相输入电源ua、Ub、Uc;；三个与每相电源串联的输入升压电感La、Lb、Lc，其电感值相同，三个电感的输出端分别记为A、B、C ；三个结构完全相同的三相电压型桥式变换器，三个三相桥对应相上下两桥臂的连接点分别记为Al、Bi、Cl，A2、B2、C2和A3、B3、C3 ；每个三相电压型桥式变换器由6只型号相同的IGBT Sap, Sbp, Scp, San, Sbn, Scn,6只与IGBT反并联且型号相同的二极管D、一个输出滤波电容C和电阻负载R构成；其中，A相上桥臂开关管Sap的发射极与下桥臂开关管San的集电极相连，B相上桥臂开关管Sbp的发射极与下桥臂开关管Sbn的集电极相连，C相上桥臂开关管S。p的发射极与下桥臂开关管S。n的集电极相连，Sap、Sbp和S。p的集电极与输出滤波电容C 的正极连在一起，San, Sbn和S。n的发射极与输出滤波电容C的负极连在一起，负载电阻R与输出滤波电容C并联；三个三相桥的三个输出电容分别记为CpCpC3，其电容值相同，三个负载电阻分别记为礼、R2、R3，其阻值相同；三组直流输出电压分别记为Ut^Utj3 ；三个三相桥是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为A相输入电感La 的输出端A与Al相连，Bl与A2相连，B2与B相输入电感Lb的输出端B相连，C2与B3相连，C3与C相输入电感L。的输出端C相连，A3与Cl相连。
2.根据权利要求1所述自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于， 该变换器的子单元是结构完全相同的三相电压型桥式变换器或三相电流型桥式变换器；采用的开关管为全控型器件IGBT。
3.根据权利要求1所述自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于， 对于m级级联的三相桥式变换器的各个三相桥间的级联连接方式具体为A相输入电感La 的输出端A与Al相连，B相输入电感Lb的输出端B与桥臂Bm相连，C相输入电感L。的输出端C与C2nrl相连氓与Ai+1相连(1彡i彡m)，Cj与Bj+1相连(m彡j彡2m_l)，其中记每个三相桥的每相上下桥臂的连接点分别记为Ai、Bi、Ci(i = 1,2,……2m-l)。
4.根据权利要求3所述自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于， 采用优化控制方案使Cp及\ (其中，1彡ρ彡m-1，m+1彡q彡2m_l)中任意两点都可互相 连接，故由2m-l个三相桥可构成m级级联的三相桥式变换器，且可以有]l(2i_3)种不同的连 接方式。
全文摘要
本发明公开一种新型的级联三相桥式变换器，属于AC/DC变换器。该变换器包括星形连接且不带中性线的三相交流电源、三个输入电感和三个级联在一起的三相电压型桥式变换器。本发明利用三相输入线电压级联叠加的连接方式以降低开关管的电压应力，使该变换器适合应用在高压大功率等级场合，并且在三相输入电源不平衡时相间能量可互相补偿，使每个三相桥的直流输出电压自动均衡；利用三相桥桥臂之间的级联，使其比同级级联(m级)的由单相H桥级联变换器构成的三相级联变换器少用6只有源开关管和m+1个输出电容，以降低变换器的成本和体积。
文档编号H02M7/5387GK102223099SQ20111016103
公开日2011年10月19日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者刘捷丰, 吴春军, 祝万平, 秦煜森, 赵丽丽, 郑路遥, 陆治国 申请人:重庆大学