三相桥式模块单元串联组合高压变换器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种三相桥式模块单元串联组合高压变换器，包括：2N个三相桥式模块单元和6个桥臂电感，每个三相桥式模块单元由6个带续流二极管的功率开关元件及1个直流电容构成，每相的功率开关单元由2个功率开关元件正负极依次串联而成，串联中点及负极为输出端。三相桥式模块单元中上功率开关元件的正极相互连接，选取任何一相的功率开关单元与直流电容并联，其中上功率开关元件的正极与直流电容正极相连，下功率开关单元的负极与直流电容负极相连。本发明减少了元器件和模块化功率单元数，组合简单，可靠性高，成本低。
【专利说明】三相桥式模块单元串联组合高压变换器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及三相桥式模块单元串联组合高压变换器拓扑的构造。
【背景技术】
[0002]实现高压大功率变换器的关键技术之一是大功率变换器拓扑，近几十年来国际上对高压大容量变换器进行了深入的研究，提出了众多有意义的髙压大容量拓扑。主要构造拓扑的技术包括:1、功率开关器件直接串联技术，其优点是可以直接应用现有拓扑，缺点是各功率开关器件串联存在静态和动态均压问题，对功率开关器件的开通和关断一致性要求较高，易于出现器件故障；2、多重化技术，其优点是传统H桥或者三相桥式电路通过多绕组工频变压器耦合，实现高电压、低谐波输出，缺点是需要用工频多绕组变压器，成本、损耗、复杂性增加，且有直流磁化现象；3、多电平技术，其优点是直流侧采用串联直流电容实现功率开关器件均压，缺点是功率开关器件的导通电流负荷不一致，造成各直流电容上直流电压的不平衡，且拓扑较复杂；4、模块组合多电平变换器即MMC变换器，其优点是各相桥臂根据电压等级，由多个相同的模块化功率单元和两个桥臂电感依次串联构成，实现了高度模块化，在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面比一般多电平技术具有更明显的优势，是目前高压电能变换首选的变换器。
[0003]本发明在MMC变换器基础上，提出一种模块化程度更高的组合高压变换器。本发明提出的变换器与MMC变换器有以下不同:1、模块化功率单元不同，MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用三相桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，MMC变换器是每相模块化功率单元串联组合后、再三相组合，而本发明是三相模块化功率单元一次串联组合完成。因而本发明与MMC变换器相比较，具有以下显著的优点:1、减少了元器件；2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、可靠性高；5、成本下降。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种三相桥式模块单元串联组合高压变换器，与现有高压大容量变换器比较，模块化程度更高，减少了元器件，减少了功率单元数，组合简单，可靠性更高，且成本下降，在高压大容量工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。
[0005]一种三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其包含2N个三相桥式模块单元和6个桥臂电感，其中高压变换器的上桥臂由N个三相桥式模块单元串联后再相应与3个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外3个桥臂电感的一端与另外N个三相桥式模块单元依次串联构成，然后高压变换器上桥臂中的3个桥臂电感的另一端与下桥臂中的所述另外3个桥臂电感的另一端串联，上桥臂中的3个桥臂电感与下桥臂中的3个桥臂电感之间3个连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
[0006]进一步地，所述三相桥式模块单元由6个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容构成。[0007]进一步地，三相桥式模块单元中，每2个功率开关元件串联构成I相，6个功率开关元件共构成3相即a相、b相和c相，其中每I相均各自包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端，选择a相或b相或c相的A端接到直流电容的正极、C端接到直流电容的负极，然后a、b、c三相的A端相连接，直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
[0008]进一步地，三相桥式模块单元串联组合高压变换器有3种工作状态，第一种状态是上桥臂N个三相桥式模块单元的第二开关管或第二续流二极管导通，其它器件均关断；第二种状态是下桥臂N个三相桥式模块单元的第二开关管或第二续流二极管导通，其它器件均关断；第三种状态是上下桥臂2N个三相桥式模块单元的第一开关管或第一续流二极管导通，其它器件均关断。
[0009]进一步地，高压变换器的上桥臂由N个三相桥式模块单元与桥臂电感依次串联构成，即第一个三相桥式模块单元每相的B端即a+、b+、c+端与电源的正极相连接，第一个三相桥式模块单元每相的B端即Ual、Ubl、Ucl与电源的正极相连接，第一个三相桥式模块单元每相的C端与第二个三相桥式模块单元的B端即Ua2、Ub2、Ue2相连接，依此连接规律，第i个三相桥式模块单元的B端即1、υΜ、1分别连接到第1-Ι个三相桥式模块单元每相的C端，第i个三相桥式模块单元每相的C端分别连接到第i+Ι个三相桥式模块单元的B端即Ua(i+1)、ub(i+1)、ue(i+1)，N个三相桥式模块单元连接后，第N个三相桥式模块单元每相的C端分别与第一电感、第二电感和第三电感连接。
[0010]进一步地，高压变换器的下桥臂由桥臂电感与N个三相桥式模块单元依次串联构成，即第四电感、第五电感和第六电感分别与第N+1个三相桥式模块单元每相的B端Ua(N+1)、Ub(N+1)>Uc(N+1)相连接，第N+1个模块每相的C端与第N+2个三相桥式模块单元的B端即Ua(N+2)、Ub(N+2)>Uc(N+2)相连接，依此规律，高压变换器的下桥臂的N个三相桥式模块单元连接后，第2N个三相桥式模块单元每相的C端即a_、b_、c端连接到电源V的负极。
[0011]本发明与MMC变换器相比，有以下不同:1、模块化功率单元不同，MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用三相桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，MMC变换器是单相模块化功率单元串联组合后、再三相组合，而本发明是三相模块化功率单元一次串联组合完成。因而本发明与MMC变换器相比较，具有以下显著的优点:1、减少了元器件；
2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、可靠性高；5、成本下降。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1a?图1c是高压变换器的三相桥式模块单元的结构图。
[0013]图2是本发明的三相桥式模块单元串联组合高压变换器主电路。
[0014]图3是三相桥式模块单元串联组合高压变换器中每相桥臂的3种工作状态图。
[0015]图4是具有2N=4个模块的三相桥式模块单元串联组合高压变换器。
[0016]图5是采用120°控制时具有2N=4个模块的三相桥式模块单元串联组合高压变换器的输出电压波形。
[0017]图6是采用180°控制时具有2N=4个模块的三相桥式模块单元串联组合高压变换器的输出电压波形。具体实施方案
[0018]以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
[0019]图1所示的是本发明三相桥式模块单元，三相桥式模块单元的构成方式如下:包含6个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容，每2个功率开关元件串联构成I相，它们按第一开关管T1的正极接到A端、负极接到B端、第二开关管T2的正极接到B端、负极接到C端的方式连接，其中B端、C端为输出端，然后选择a相或b相或c相的A端接到直流电容Ce的正极、C端接到直流电容Ce的负极(Ce上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值)，进而将a、b、c三相的A端相连接。
[0020]图2的三相桥式模块单元串联组合高压变换器构成方式如下:1、上桥臂由N个三相桥式模块单元与桥臂电感依次串联构成，即第一个三相桥式模块单元M1每相的B端即a+、b+、c+端与电源V的正极相连接，第一个三相桥式模块单元M1每相的B端即其Ual、Ubl、Uel与电源V的正极相连接，C端与第二个三相桥式模块单元M2的Ua2、Ub2、Uc2相连接，依此规律，三相桥式模块单元间的连接方式为第i个三相桥式模块单元Mi的Ua1、Um、Uci分别连接到第1-Ι个三相桥式模块单元Mp1每相的C端，第i个三相桥式模块单元Mi每相的C端分别连接到第i+Ι个三相桥式模块单元Mi+1的Ua(i+1)、Ub(i+1)、Uc(i+1), N个三相桥式模块单元连接后，第N个三相桥式模块单元Mn每相的C端分别与第一电感Lap、第二电感Lbp和第三电感Lcp连接；2、下桥臂由桥臂电感与N个三相桥式模块单元依次串联构成，第四电感Lan、第五电感Lbn和第六电感Lm分别与第N+1个三相桥式模块单元Mn+1每相的B端即
Ua(N+l)、Ub(N+l)、Uc(n+1)
相连接，第N+1个三相桥式模块单元Mn+1每相的C端与第N+2个三相桥式模块单元Mn+2的Ua(N+2)、Ub(N+2)、Uc(N+2)相连接，依此规律，N个三相桥式模块单元连接后，第2N个三相桥式模块单元M2n每相的C端即a_、b_、c端连接到电源V的负极；3、将三相桥臂在上下2个桥臂电感的连接点，即a、b、c点处连接，负载可以是三相星形或三角形连接。
[0021]按照图2的三相桥式模块单元串联组合高压变换器拓扑，每相桥臂有3种工作状态，第一种状态是上桥臂N个三相桥式模块单元即M1IIn中三相的第二开关管T2或第二续流二极管D2导通，其它器件均关断，交流输出端电压为2NE=V ;第二种状态是下桥臂N个三相桥式模块单元即Mn+广M2n中三相的第二开关管T2或第二续流二极管D2导通，其它器件均关断，交流输出端电压为O ;第三种状态是上下桥臂2N个三相桥式模块单元即M广M2n中三相的第一开关管T1或第一续流二极管D1导通，其它器件均关断，交流输出端电压为NE=V/2。图3为各相交流输出端对应的工作波形。
[0022]对于图2所示的三相桥式模块单元串联组合高压变换器，具有2N个三相桥式模块单元，通过控制输出幅值2NE (V=2NE)且三相相位相差120°的交流电压。
[0023]图4是基于图1a的具有2N=4个模块的三相桥式模块单元串联组合高压变换器，它由4个三相桥式模块MpMyMyM4及6个桥臂电感构成，其中6个桥臂电感的电感值相同，均为L。若采用120°导电方式控制，a、b、c点对电源中点电压Va、Vb、V。以及a相和b相上的负载线电压Vab见图5 ;若采用180°导电方式控制，a、b、c点对电源中点电压Va、Vb、V。以及a相和b相上的负载线电压Vab见图6。
【权利要求】
1.一种三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于包含2N个三相桥式模块单元和6个桥臂电感，其中高压变换器的上桥臂由N个三相桥式模块单元串联后再相应与3个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外3个桥臂电感的一端与另外N个三相桥式模块单元依次串联构成，然后高压变换器上桥臂的3个桥臂电感的另一端与下桥臂的3个桥臂电感的另一端串联，上桥臂中的3个桥臂电感与下桥臂中的3个桥臂电感之间的3个连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。
2.根据权利要求1所述三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，所述三相桥式模块单元由6个带续流二极管的功率开关元件及I个直流电容构成。
3.根据权利要求2所述三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，所述三相桥式模块单元中，每2个功率开关元件串联构成I相，6个功率开关元件共构成3相，即a相、b相和c相，其中每I相均各自包括第一开关管(T1)和第二开关管(T2),第一开关管(T1)的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管(T2)的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端，选择a相或b相或c相的A端接到直流电容(Ce)的正极、C端接到直流电容(Ce)的负极，然后a、b、c三相的A端相连接，直流电容(Ce)上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。
4.根据权利要求1所述三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，包括3种工作状态，第一种状态是上桥臂N个三相桥式模块单元的第二开关管(T2)或第二续流二极管(D2)导通，其它器件均关断；第二种状态是下桥臂N个三相桥式模块单元的第二开关管(T2)或第二续流二极管(D2)导通，其它器件均关断；第三种状态是上下桥臂2N个三相桥式模块单元的第一开关管(T1)或第一续流二极管(D1)导通，其它器件均关断。
5.根据权利要求3所述三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，高压变换器的上桥臂由N个三相桥式模块单兀与桥臂电感依次串联构成,第一个三相桥式模块单元(M1)每相的B端即a+、b+、c+端与电源(V)的正极相连接，第一个三相桥式模块单元(M1)每相的B端即Ual、Ubl、Ucl与`电源(V)的正极相连接，第一个三相桥式模块单元(M1)每相的C端与第二个三相桥式模块单元(M2)的B端即Ua2、Ub2、Ue2相连接，依此连接规律，第i个三相桥式模块单元(Mi)的B端即υ^υΜ、υ。,分别连接到第1-Ι个三相桥式模块单元(Mp1)每相的C端，第i个三相桥式模块单元(Mi)每相的C端分别连接到第i+Ι个三相桥式模块单元(Mi+1)的B端即Ua(i+1)、Ub(i+1)、Uc(i+1)，N个三相桥式模块单元连接后，第N个三相桥式模块单元(Mn)每相的C端分别与第一电感(Lap)、第二电感(Lbp)和第三电感(Lct)连接。
6.根据权利要求3所述三相桥式模块单元串联组合高压变换器，其特征在于，高压变换器的下桥臂由桥臂电感与N个三相桥式模块单元依次串联构成，即第四电感(Lan)、第五电感(Lbn)和第六电感(Len)分别与第N+1个三相桥式模块单元(Mn+1)每相的B端即Ua(N+1)、Ub(N+1)> UC(N+1)相连接，第N+1个模块(Mn+1)每相的C端与第N+2个三相桥式模块单元(Mn+2)每相的B端即Ua(N+2)、U咖)、Uc(N+2)相连接，依此规律，高压变换器的下桥臂的N个三相桥式模块单元连接后，第2N个三相桥式模块单元(M2n)每相的C端即a_、b_、c_端连接到电源(V)的负极。
【文档编号】H02M7/48GK103701343SQ201310719758
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月21日 优先权日:2013年12月21日
【发明者】张波, 丘东元 申请人:华南理工大学