五电平有源中点箝位型h桥变流器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种五电平变流器，特别涉及一种五电平有源中点箝位型H桥变流器。
【背景技术】
[0002] 多电平变流器在高压大功率变频领域中得到了越来越广泛的关注。与两电平变流 器相比，多电平变流器具有更低的输出谐波含量，更高的电压输出等优点。
[0003] 三电平中点箝位NPC变流器在输出电压低于6kV的中压驱动市场中已经有非常广 泛的应用，由于电力电子器件耐压的限制，对于更高的电压等级和更大容量输出需求时，就 需要五电平或更多电平的变频器。单纯的五电平NPC变流器由于存在中点电压难以控制的 缺陷，实际很少采用。其中NPC型H桥五电平变流器，简称为五电平NPC/H变流器，同时具有三 电平NPC型变流器和H桥变流器的优势，具有组成简单、控制灵活、运行可靠、谐波含量少的 优点，在中高压驱动领域已有实际应用。
[0004] 在变频器的设计中，承受最大开关应力，产生损耗最大的器件决定了变流器的最 大输出容量和开关频率。三电平NPC变流器存在中点电压波动和桥臂器件损耗不一致的问 题。
[0005] 五电平NPC/H变流器比三电平NPC变流器具有更多的电平输出状态，其损耗特性具 有新的特点，虽然具有冗余开关状态，有一定的损耗平衡能力，但仍然存在桥臂器件损耗不 平衡的问题，部分器件承受的损耗大，限制了变流器的最大输出容量。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有五电平NPC/H桥变流器中器件损耗不平衡的缺点，提出 一种五电平有源中点箝位H桥变流器。本发明中的器件损耗平衡，可用于大功率逆变器场 合。
[0007] 与五电平NPC/H变流器相比，在产生同样的器件损耗的前提下，本发明五电平有源 中点箝位H桥变流器具有更大的输出容量，可提高变流器的功率密度，在高压大功率变流器 领域具有较强的应用价值。
[0008] 本发明的解决技术问题采用的技术方案是：
[0009] 本发明五电平有源中点箝位H桥变流器包括三个单相H桥变流器。每个单相H桥变 流器由第一桥臂和第二桥臂组成。输入电压源的两端并联两个串联的分压电容器，再和第 一个桥臂、第二桥臂并联。
[0010] 每个桥臂为三电平有源中点箝位拓扑。
[0011]所述的三电平有源中点箝位拓扑中，第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元 和第四开关器件单元依次串联连接。第五开关单元的输入端同第二开关单元的输入端连 接，第六开关单元和第五开关单元串联，第六开关单元和第五开关单元的中间连接点引出， 作为第一引出点，第六开关单元的输出端与第三开关单元的输出端相连。第二开关和第三 开关单元的中间连接点引出，作为第二引出点。其中，所述的开关单元由功率开关器件与反 并联二极管组成，开关单元的输入端即功率器件电流流入端，开关单元的输出端即电流流 出端。
[0012] 所述的单相H桥变流器中，串联的两个电容器的中点引出作为箝位电路中点和第 一桥臂的第一引出点和第二桥臂的第一引出点相接。第一桥臂的第二引出点的引线作为该 相火线，第二桥臂的第二引出点的引线作为该相零线。
[0013] 三个单相H桥变流器通过共用零线，与三根火线形成三相四线交流输出，组成本发 明五电平有源中点箝位H桥变流器。本发明可实现三个独立直流电压源对三相四线制交流 电源的变流功能。
[0014] 本发明五电平有源中点箝位H桥变流器拓扑结构与现有技术相比，具有以下优点：
[0015 ]同传统三电平中点箝位变流拓扑3L-NPC相比，本发明五电平有源中点箝位H桥变 流器拓扑由于电平数更高，采用相同电压电流等级器件能够用于更高等级电压变换或更大 功率容量输出。同时可采用的电压冗余状态更多，更有利于平衡器件损耗。
[0016] 同传统五电平中点箝位变流拓扑5L-NPC相比，本发明五电平有源中点箝位H桥变 流器拓扑由于采用H桥拓扑产生多电平，摆脱了电容分压的传统多电平方法，实现了更简单 可靠的中点电压控制。
[0017] 本发明五电平有源中点箝位H桥变流器拓扑由于所有器件均为双向开关器件，同 中点箝位型H桥变流拓扑5L-NPC/H相比，所定义的五个电平中，有三个电平都能拥有更多的 开关状态。新的电平不仅提供更多的换流路径，通过适当的调制方式，可以平衡器件损耗， 改善中点箝位型H桥变流拓扑中发热集中的问题。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明三相五电平有源中点箝位H桥变流器拓扑结构图；
[0019] 图2是五电平载波层叠法原理图；
[0020] 图3是五电平有源中点箝位H桥变流器单相拓扑结构；
[0021] 图4是三电平有源中点箝位拓扑结构。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0023] 图1所示是本发明五电平有源中点箝位变流器结构图。本发明包括三个单相H桥变 流器。每个单相H桥变流器由第一桥臂和第二桥臂组成，a相、b相和c相的H桥变流器的结构 相同。
[0024] 输入电压源的两端并联两个串联的分压电容器，再和第一个桥臂、第二桥臂并联。 [0025] 三个单相H桥变流器通过共用零线n，与a、b、c三根火线形成三相四线交流输出，组 成本发明五电平有源中点箝位H桥变流器。本发明可实现三个独立直流电压源对三相四线 制交流电源的变流功能。
[0026]如图3所示，所述的单相H桥变流器由第一桥臂和第二桥臂组成。输入电压源Vdc的 两端并联两个串联的分压电容器C1、C2,两个串联的分压电容器的中点记为0。第一个桥臂、 第二桥臂并联，并和直流电压源Vdc及两个电容器并联。
[0027]第一桥臂由六个开关单元T11~T16及其反并联二极管D11~D16组成，第一反并联 二极管Dll与第一开关单元T11反并联，第二反并联二极管D12与第二开关单元T12反并联， 第三反并联二极管D13与第三开关单元T13反并联，第四反并联二极管D14与第四开关单元 T14反并联，第五反并联二极管D15与第五开关单元T15反并联，第六反并联二极管D16与第 六开关单元T16反并联。第一开关单元T11、第二开关单元T12、第三开关单元T13、第四开关 单元T14依次串联连接，再与直流电压源Vdc并联。第五开关单元T15和第六开关单元T16串 联，第一桥臂的第一引出点与电容器串联支路的中点〇点相连。第五开关单元T15的输入端 同第二开关单元T12输入端相连，第六开关单元T16的输出端同第三开关单元T13的输出端 相连。第二开关单元T12和第三开关单元T13的中间点记为点a，其引出线作为a相输出电压 的火线。
[0028]第二桥臂由六个开关单元T21~T26及其反并联二极管D21~D26组成，第十一二极 管D21与第十一开关单元T21反并联，第十二二极管D22与第十二开关单元T22反并联，第十 三二极管D23与第十三开关单元T23反并联，第十四二极管D24与第十四开关单元T24反并 联，第十五二极管D25与第十五开关单元T25反并联，第十六二极管D26与第十六开关单元 T26反并联。第十一开关单元T21、第十二开关单元T22、第十三开关单元T23、第十四开关单 元T24依次串联连接，再与直流电压源Vdc并联。第十五开关单元T25和第十六开关单元T26 串联，第二桥臂的第一引出点与电容器串联支路的中点〇点相连。第十五开关单元T25的输 入端同第十二开关单元T22输入端相连，第十六开关单元T26的输出端同第十三开关单元 T23的输出端相连。第十二开关单元T22和第十三开关单元T23的中间点记为点n，其引出线 作为a相输出电压的零线。
[0029]图2是五电平载波层叠发原理图。通过四个幅值不同的三角载波trl~tr4同参考 电压uref的比较来得出不同时刻输出电平Van的值，当参考电压uref大于三角载波trl时，变 流器输出电平Vdc;当Uref大于tr2小于tr 1时，变流器输出电平Vdc/2;当Uref大于tr3小于tr2 时，变流器输出电平0;当Uref小于tr3大于tr4时，变流器输出电平-Vdc/2,当Uref小于tr4时， 变流器输出电平-Vdc。
[0030]图4是三电平有源箝位拓扑，其中输出电平、开关状态以及对应的开关单元通断关 系如表1所示。表1中，所述输出电平为输出端口a、o两端电平Vao,状态表示不同器件单元开 关组合，单个器件的通断分别用1、〇表示。
[0031 ]能够实现输出电平为Vdc/2的开关组合为:第一开关单元T11、第二开关电元T12、 第六开关单元T16导通，第三开关单元T13、第四开关单元T14、第五开关单元T15关断，此开 关组合记为状态1。
[0032]能够实现输出电平为0的四种开关组合为:第二开关单元T12、第五开关单元T15导 通，第一开关单元T11、第三开关单元T13、第四开关单元T14、第六开关单元T16关断，此开关 组合记为状态0U2;第二开关单元T12、第四开关单元T14、第五开关单元T15导通，第一开关 单元T11、第三开关单元T13、第六开关单元T16关断，此开关组合记为状态0U1;第一开关单 元T11、第三开关单元T13、第六开关单元T16导通，第二开关单元T12、第四开关单元T14、第 五开关单元T15关断，此开关组合记为状态0L1;第三开关单元T13