五电平整流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种多电平整流器，且特别是有关于一种五电平整流器。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子及控制技术的不断发展，诸多领域对大功率电力电子变换器的需求 日益旺盛，比如电机调速、新能源发电以及智能电网等，并且电力电子变换器正朝着高压、 大功率、高功率密度、高可靠性、低成本的方向发展。相比于两电平，多电平变换技术具有较 低的谐波和电磁干扰，较好的电能质量等优点，可有效减少滤波器体积和成本；但同时，多 电平变换器的半导体功率开关数量显着增多，控制逻辑较为复杂，因此也影响了多电平变 换技术的进一步推广和应用。
[0003] 为提高变换器电压等级，多种多电平技术得到广泛研究和应用，其中包括 二极管中点箝位（NeutralPointClamped,NPC)多电平技术、飞跨电容箝位多电平 技术、有源中点箝位（Activeneutralpointclamped,ANPC)多电平技术、级联H桥 (CascadedH_bridge，CHB)多电平技术，以及模块组合多电平变换器（ModularMultilevel Converter,MMC)技术等。然而，前述技术应用在五电平拓扑结构中功率半导体开关至少需 8个以上，由于功率半导体开关数量较多，因此功率半导体开关控制难度较大。再者，CHB以 及MMC应用在五电平拓扑结构中均需要两个独立的直流电压源，变换器的成本较高、可靠 性较低。
[0004] 为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未 见适用的方式被发展完成。因此，如何能减少功率半导体开关数量，从而简化控制逻辑，实 属当前重要研发课题之一，亦成为当前相关领域极需改进的目标。
【发明内容】
[0005] 本发明的一方面是在提供结构简单的五电平整流器，在改善谐波、电磁干扰，提升 电能质量的同时，具有较少的功率半导体开关和较为简单的控制逻辑。
[0006] 于一实施例中，本发明所提供的五电平整流器包括第一功率半导体开关、第二功 率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关、第六功 率半导体开关、第一直流母线电容器、第二直流母线电容器、相电容器、第一二极管模块与 第二二极管模块。第一功率半导体开关具有第一端与第二端；第二功率半导体开关具有第 一端与第二端；第三功率半导体开关具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关的第 二端连接第三功率半导体开关的第一端；第四功率半导体开关具有第一端与第二端；第五 功率半导体开关具有第一端与第二端；第六功率半导体开关具有第一端与第二端；第一二 极管模块具有阳极与阴极，其中第一二极管模块的阳极、第一功率半导体开关的第一端与 第五功率半导体开关的第一端彼此相连；第一直流母线电容器具有正极性端与负极性端， 其中第一直流母线电容器的正极性端连接第一二极管模块的阴极；第二直流母线电容器具 有正极性端与负极性端，其中第一直流母线电容器的负极性端、第二直流母线电容器的正 极性端、第五功率半导体开关的第二端与第六功率半导体开关的第一端彼此相连；相电容 器具有正极性端与负极性端，其中第一功率半导体开关的第二端、第二功率半导体开关的 第一端与相电容器的正极性端彼此相连，第三功率半导体开关的第二端、第四功率半导体 开关的第一端与相电容器的负极性端彼此相连；第二二极管模块具有阳极与阴极，其中第 六功率半导体开关的第二端、第四功率半导体开关的第二端与第二二极管模块的阴极彼此 相连，第二二极管模块的阳极连接第二直流母线电容器的负极性端。
[0007] 于一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开 关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关与第六功率半导体开关中每一者均为绝缘 栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
[0008] 于一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开 关、第四功率半导体开关、第五功率半导体开关与第六功率半导体开关中每一者均包括多 个绝缘栅双极型晶体管，这些绝缘栅双极型晶体管是串联、并联或是串、并联的组合。
[0009] 于一实施例中，第一直流母线电容器、第二直流母线电容器与相电容器中每一者 均包括多个电容元件，这些电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
[0010] 于一实施例中，第一二极管模块与第二二极管模块中每一者均包括多个二极管， 这些二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
[0011] 于另一实施例中，本发明所提供的三相五电平整流器包含三相桥臂，每相桥臂为 上述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
[0012] 于另一实施例中，本发明所提供的五电平整流器包括第一功率半导体开关、第二 功率半导体开关、第三功率半导体开关、第四功率半导体开关、第一直流母线电容器、第二 直流母线电容器、相电容器、第一二极管模块、第二二极管模块、第三二极管模块与第四二 极管模块。第一功率半导体开关具有第一端与第二端；第二功率半导体开关具有第一端 与第二端；第三功率半导体开关具有第一端与第二端，其中第二功率半导体开关的第二端 连接第三功率半导体开关的第一端；第四功率半导体开关具有第一端与第二端；第一直流 母线电容器具有正极性端与负极性端；第二直流母线电容器具有正极性端与负极性端；第 一二极管模块具有阳极与阴极，其中第一直流母线电容器的正极性端连接第一二极管模块 的阴极；第二二极管模块具有阳极与阴极，其中第一二极管模块的阳极、第二二极管模块 的阴极与第一功率半导体开关的第一端彼此相连；第三二极管模块具有阳极与阴极，其中 第一直流母线电容器的负极性端、第二直流母线电容器的正极性端、第二二极管模块的阳 极与第三二极管模块的阴极彼此相连；相电容器具有正极性端与负极性端，其中第一功率 半导体开关的第二端、第二功率半导体开关的第一端与相电容器的正极性端彼此相连，第 三功率半导体开关的第二端、第四功率半导体开关的第一端与相电容器的负极性端彼此相 连；第四二极管模块具有阳极与阴极，其中第四功率半导体开关的第二端、第三二极管模块 的阳极与第四二极管模块的阴极彼此相连，第四二极管模块的阳极连接第二直流母线电容 器的负极性端彼此相连。
[0013] 于另一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开 关与第四功率半导体开关中每一者均为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管或集成门 极换流晶闸管。
[0014] 于另一实施例中，第一功率半导体开关、第二功率半导体开关、第三功率半导体开 关与第四功率半导体开关中每一者均包括多个绝缘栅双极型晶体管，这些绝缘栅双极型晶 体管是串联、并联或是串、并联的组合。
[0015] 于另一实施例中，第一直流母线电容器、第二直流母线电容器与相电容器中每一 者均包括多个电容元件，这些电容元件是串联、并联或是串、并联的组合。
[0016] 于另一实施例中，第一二极管模块、第二二极管模块、第三二极管模块与第四二极 管模块中每一者均包括多个二极管，这些二极管是串联、并联或是串、并联的组合。
[0017] 于另一实施例中，本发明所提供的三相五电平整流器包含三相桥臂，每相桥臂为 上述的五电平整流器，每相桥臂并联连接。
[0018] 综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发 明针对不需要能量回馈的应用场合，提供了结构简单的五电平整流器，在改善谐波、电磁干 扰，提升电能质量的同时，具有较少的功率半导体开关、较为简单的控制逻辑、每相仅需一 个独立直流电压源等优点，可以有效解决公知的五电平脉冲调制整流技术中遇到的问题。
[0019] 以下将以实施方式对上述的说明作详细的描述，并对本发明的技术方案提供更进 一步的解释。
【附图说明】
[0020] 为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说 明如下：
[0021] 图1是依照本发明一实施例的一种五电平整流器的一相桥臂的电路图；
[0022] 图2是图1的五电平整流器的桥臂的电流i与节点0至中点N的电压Vw的关系 图；
[0023] 图3是基于图1的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器的电路 图；
[0024] 图4是依照本发明另一实施例的一种五电平整流器的一相桥臂电路图；
[0025] 图5是图4的五电平整流器的桥臂的电流i与节点0至中点N的电压Vw的关系 图；
[0026] 图6是基于图4的五电平整流器的桥臂所拓扑而成的三相五电平整流器的电路 图；
[0027] 图7A、7B、7C分别是依照本发明多个实施例的功率半导体开关内部架构的示意 图；
[0028] 图8A、8B、8C分别是依照本发明多个实施例的电容器内部架构的示意图；以及
[0029] 图9A、9B、9C分别是依照本发明多个实施例的二极管模块内部架构的示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的叙述更加详尽与完备，可参照所附的附图及以下所述各种实施 例，附图中相同的号码代表相同或相似的元件。另一方面，众所周知的元件与步骤并未描述 于实施例中，以避免对本发明造成不必要的限制。
[0031] 图1是依照本发明一实施例的一种五电平整流器100的一相桥臂的电路图。如图1 所示，五电平整流器1〇〇包括第一功率半导体开关S1、第二功率半导体开关S2、第三功率半 导体开关S3、第四功率半导体开关S4、第五功率半导体开关S5、第六功率半导体开关S6、第 一直流母线电容器C1、第二直流母线电容器C2、相电容器C3、第一二极管模块D1与第二二 极管模块D2。
[0032] 于图1中，第一功率半导体开关S1具有第一端(亦即，IGBT的漏极）与第二端(亦 艮P，IGBT的源极）