专利名称：一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于电力变流技术领域，具体涉及一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用。
背景技术：
近年来，能源的短缺和环境污染已经成为世界关注的焦点，在国家大力提倡“节能减排”的政策倡导下，中高压大功率场合下的节电减能更是刻不容缓。我国现有的中高压大功率交流电动机大多是直接启动，采取阀门调节或者液力耦合方式进行调速，这种调速方式使得电能浪费巨大，随着我国电力事业的快速发展，工业界对中高压大功率变流器的需求量越来越大，当这些大功率电动机采用变频调速时，节能率可达10% 70%，平均在30%左右。由于高压大功率电力电子器件价格昂贵以及其关键技术等多方制约因素，采用多电平 技术是实现中高压大功率变流器的重要方向。与传统的变流器相比，多电平变流器可以使用耐压较低的器件实现较高的电压输出；输出电压谐波含量小，在新能源并网发电场合，将大大提高输出的电能质量；在电机拖动领域中，变流器输出电平数的增加，可使得输出dv/dt减小，降低了电磁干扰与电机绝缘的损害。在常见的五电平变流拓扑结构中，传统的二极管箝位型五电平变流拓扑如图I所示；其单桥臂所需全控型功率器件8个，箝位二极管12个，直流侧串联4个电容。而且随着输出电平数的增加，箝位二极管和有源功率器件的数量将大大增加。这种拓扑结构的成本高，结构设计复杂，不利于实际的工业应用场合。在工业化应用非常广泛的一种单元串联H桥多电平变流器，如图2所示，其每个H桥功率单元均需要独立的电压源供电，采用该拓扑结构的三相五电平串联H桥变流器其单桥臂所需全控型功率器件8个，两个独立的直流电压源，整个三相变流器需要全控型功率器件24个和六个独立的直流电压源。随着输出电压等级的提高，串联的H桥功率单元数与独立的直流电压源数目也越来越多，这样所需要的移相变压器副边绕组数也需要大量增力口。随之带来了移相隔离变压器的体积增大，制造难度增加，成本增加等问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构及其应用，大大减少了功率器件及直流电压源的数量。一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，包括一电容链路和一变流单元；所述的电容链路由四个电容组成；其中，电容C1的一端与外部直流电压源的正极相连，电容C1的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与外部直流电压源的负极相连；所述的变流单元由两个双向功率开关、两个二极管和四个带反并二极管的开关管组成；其中，带反并二极管的开关管S1的输入端与电容仏的一端相连，带反并二极管的开关管S1的输出端与带反并二极管的开关管S2的输入端、双向功率开关Q1的一端和二极管D1的阴极相连，双向功率开关％的另一端与电容(2的一端相连，带反并二极管的开关管S2的输出端与带反并二极管的开关管S3的输入端相连且为电平输出端，带反并二极管的开关管S3的输出端与带反并二极管的开关管S4的输入端、双向功率开关Q2的一端和二极管D2的阳极相连，双向功率开关Q2的另一端与电容C4的一端相连，带反并二极管的开关管S4的输出端与电容C4的另一端相连，二极管D1的阳极与二极管D2的阴极和电容C3的一端相连，所述的带反并二极管的开关管和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。一种具有双向功率开关的三相五电平变流器，包括一电容链路和三个变流单元；所述的电容链路由四个电容组成；其中，电容C1的一端与外部直流电压源的正极 相连，电容C1的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与外部直流电压源的负极相连；所述的变流单元由两个双向功率开关、两个二极管和四个带反并二极管的开关管组成；其中，带反并二极管的开关管S1的输入端与电容仏的一端相连，带反并二极管的开关管S1的输出端与带反并二极管的开关管S2的输入端、双向功率开关Q1的一端和二极管D1的阴极相连，双向功率开关％的另一端与电容(2的一端相连，带反并二极管的开关管S2的输出端与带反并二极管的开关管S3的输入端相连且为对应相的电平输出端，带反并二极管的开关管S3的输出端与带反并二极管的开关管S4的输入端、双向功率开关Q2的一端和二极管D2的阳极相连，双向功率开关Q2的另一端与电容(；的一端相连，带反并二极管的开关管&的输出端与电容C4的另一端相连，二极管D1的阳极与二极管D2的阴极和电容C3的一端相连，所述的带反并二极管的开关管和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。优选地，所述的带反并二极管的开关管采用IGBT。现有的IGBT技术使其电流范围最高可达1500A，电压等级可达6500V，尤其满足中高压大功率的应用场合。所述的双向功率开关由两个IGBT组成；其中，第一 IGBT的集电极为双向功率开关的一端，第一 IGBT的发射极与第二 IGBT的发射极相连，第二 IGBT的集电极为双向功率开关的另一端，第一 IGBT的门极和第二 IGBT的门极为双向功率开关的两个控制端。所述的双向功率开关由两个开关管组成；其中，第一开关管的输入端与第二开关管的输出端相连且为双向功率开关的一端，第一开关管的输出端与第二开关管的输入端相连且为双向功率开关的另一端，第一开关管的控制端和第二开关管的控制端为双向功率开关的两个控制端。这两种结构的双向功率开关可以独立的控制正负电流的流径，为电路输出期望电平时提供了有功与无功电流的通路。后者相对于前者，可通过模块化实现，体积更小，电流流经的器件数目更少，损耗也越小。本发明利用双向功率开关对正负电流路径的单独控制，既能控制双向功率开关上的电流双向流动，又保证了电路多种电平的输出；在输出五种电平的基础上，大大减少了功率器件及直流电压源的数量。双向功率开关连接于开关管S1A3和开关管S2/S4之间，这种连接结构可直接使用T型三电平模块实现，进而减少系统体积，提高功率密度，且双向功率开关的电压应力仅为母线电压的1/4，拓扑结构对称，方便模块化生产。
图I是传统的二极管箝位型五电平拓扑结构的示意图。图2是五电平串联H桥变流拓扑结构的不意图。图3是本发明一种变流拓扑结构实例的示意图。图4是本发明另一种变流拓扑结构实例的不意图。图5是本发明三相五电平变流器的结构示意图。图6是本发明三相五电平变流器接星型负载的输出线电压波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案进行详细说明。如图3所示，一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，包括一电容链路和
一变流单元；电容链路由四个电容C1I4组成；其中，电容C1的一端与外部直流电压源的正极相连，电容C1的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与外部直流电压源的负极相连；变流单元由两个双向功率开关Q1I2、两个二极管D1I2和四个IGBT S^S4组成；其中，IGBT S1的集电极与电容C1的一端相连，IGBT S1的发射极与IGBTS2的集电极、双向功率开关Q1的一端和二极管口工的阴极相连,双向功率开关仏的另一端与电容02的一端相连，IGBT S2的发射极与IGBT S3的集电极相连且为电平输出端，IGBT S3的发射极与IGBT S4的集电极、双向功率开关92的一端和二极管D2的阳极相连，双向功率开关02的另一端与电容C4的一端相连，IGBT S4的发射极与电容C4的另一端相连,二极管D1的阳极与二极管D2的阴极和电容C3的一端相连，IGBT的门极和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。本实施方式中，双向功率开关由两个IGBT组成；其中，第一 IGBT S5/S7的集电极为双向功率开关的一端，第一 IGBT S5/SJ^发射极与第二 IGBT S6/S8的发射极相连，第二 IGBTS6ZS8的集电极为双向功率开关的另一端，第一 IGBTS5/S7的门极和第二 IGBT S6/S8的门极为双向功率开关的两个控制端。作为另一种实施方式，如图4所示，变流拓扑结构中的双向功率开关由两个开关管组成；其中，第一开关管s5/s7的输入端与第二开关管s6/s8的输出端相连且为双向功率开关的一端，第一开关管s5/s7的输出端与第二开关管s6/s8的输入端相连且为双向功率开关的另一端，第一开关管s5/s7的控制端和第二开关管s6/s8的控制端为双向功率开关的两个控制端。以图4的拓扑结构为例,五种电平的输出合成原理如下当S1' S2与双向功率开关中的S6和S8开通，即断开S3、S4、S5, S7时，此时V。= 2E ;当S2与双向功率开关中的S5、S6、S7开通，即断开Sp S3> S4, S8时，此时Vtj=IE ；当S2, S3与双向功率开关中的S5, S8开通，即断开S1' S4, S6, S7时，此时V0=OE ；当S3与双向功率开关中的S5、S7、S8开通，即断开Sp S2, S4, S6时，此时Vtj=-IE ；当S3, S4与双向功率开关中的S5, S7开通，即断开S1' S2, S6, S8时，此时V0=_2E。
本实施方式的五电平变流拓扑结构既可直接构成单相五电平变流器，又可构造出如图5所示的三相五电平变流器；将本实施方式拓扑结构的三相五电平变流器的三个电平输出端分别接上三相星型对称负载，则其输出线电压波形如图6所示，从图中可见变流器可输出具有9种电平的线电压，输出线电 压每次变化一个电平。
权利要求
1.ー种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，其特征在于包括一电容链路和ー变流单元； 所述的电容链路由四个电容组成；其中，电容C1的一端与外部直流电压源的正极相连，电容C1的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与外部直流电压源的负极相连； 所述的变流単元由两个双向功率开关、两个ニ极管和四个带反并ニ极管的开关管组成；其中，带反并ニ极管的开关管S1的输入端与电容C1的一端相连，带反并ニ极管的开关管S1的输出端与带反并ニ极管的开关管S2的输入端、双向功率开关Q1的一端和ニ极管D1的阴极相连，双向功率开关Q1的另一端与电容C2的一端相连，带反并ニ极管的开关管S2的输出端与带反并ニ极管的开关管S3的输入端相连且为电平输出端，带反并ニ极管的开关管S3的输出端与带反并ニ极管的开关管S4的输入端、双向功率开关Q2的一端和ニ极管D2的阳极相连，双向功率开关Q2的另一端与电容C4的一端相连，带反并ニ极管的开关管S4的输出端与电容C4的另一端相连，ニ极管D1的阳极与ニ极管D2的阴极和电容C3的一端相连，所述的带反并ニ极管的开关管和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。
2.根据权利要求I所述的具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，其特征在于所述的带反并ニ极管的开关管采用IGBT。
3.根据权利要求I所述的具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，其特征在于所述的双向功率开关由两个IGBT组成；其中，第一 IGBT的集电极为双向功率开关的一端，第一 IGBT的发射极与第二 IGBT的发射极相连，第二 IGBT的集电极为双向功率开关的另ー端，第一 IGBT的门极和第二 IGBT的门极为双向功率开关的两个控制端。
4.根据权利要求I所述的具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，其特征在于所述的双向功率开关由两个开关管组成；其中，第一开关管的输入端与第二开关管的输出端相连且为双向功率开关的一端，第一开关管的输出端与第二开关管的输入端相连且为双向功率开关的另一端，第一开关管的控制端和第二开关管的控制端为双向功率开关的两个控制端。
5.ー种具有双向功率开关的三相五电平变流器，其特征在于包括ー电容链路和三个变流单元； 所述的电容链路由四个电容组成；其中，电容C1的一端与外部直流电压源的正极相连，电容C1的另一端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端与电容C4的一端相连，电容C4的另一端与外部直流电压源的负极相连； 所述的变流単元由两个双向功率开关、两个ニ极管和四个带反并ニ极管的开关管组成；其中，带反并ニ极管的开关管S1的输入端与电容C1的一端相连，带反并ニ极管的开关管S1的输出端与带反并ニ极管的开关管S2的输入端、双向功率开关Q1的一端和ニ极管D1的阴极相连，双向功率开关Q1的另一端与电容C2的一端相连，带反并ニ极管的开关管S2的输出端与带反并ニ极管的开关管S3的输入端相连且为对应相的电平输出端，带反并ニ极管的开关管S3的输出端与带反并ニ极管的开关管S4的输入端、双向功率开关Q2的一端和ニ极管D2的阳极相连，双向功率开关Q2的另一端与电容C4的一端相连，带反并ニ极管的开关管S4的输出端与电容C4的另一端相连,ニ极管D1的阳极与ニ极管D2的阴极和电容C3的一端相连，所述的带反并ニ极管的开关管和双向功率开关的控制端均接收外部设备提供的开关控制信号。
6.根据权利要求5所述的具有双向功率开关的三相五电平变流器，其特征在于所述的带反并ニ极管的开关管采用IGBT。
7.根据权利要求5所述的具有双向功率开关的三相五电平变流器，其特征在于所述的双向功率开关由两个IGBT组成；其中，第一 IGBT的集电极为双向功率开关的一端，第一IGBT的发射极与第二 IGBT的发射极相连，第二 IGBT的集电极为双向功率开关的另一端，第一 IGBT的门极和第二 IGBT的门极为双向功率开关的两个控制端。
8.根据权利要求5所述的具有双向功率开关的三相五电平变流器，其特征在于所述的双向功率开关由两个开关管组成；其中，第一开关管的输入端与第二开关管的输出端相连且为双向功率开关的一端，第一开关管的输出端与第二开关管的输入端相连且为双向功率开关的另一端，第一开关管的控制端和第二开关管的控制端为双向功率开关的两个控制端。
全文摘要
本发明公开了一种具有双向功率开关的五电平变流拓扑结构，包括一电容链路和一变流单元；其中，电容链路由四个电容串联组成；变流单元由两个双向功率开关、两个二极管和四个带反并二极管的开关管组成；本发明还公开了采用该拓扑结构的三相五电平变流器。本发明利用双向功率开关对正负电流路径的单独控制，既能控制双向功率开关上的电流双向流动，又保证了电路多种电平的输出；在输出五种电平的基础上，大大减少了功率器件及直流电压源的数量，双向功率开关的电压应力仅为母线电压的1/4，拓扑结构对称，方便模块化生产。
文档编号H02M7/483GK102664546SQ201210159729
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者何湘宁, 李武华, 罗皓泽 申请人:浙江大学