專利名稱：基于耦合電感單相九電平功率變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多電平電力電子功率變換器，特別涉及一種單相九電平電壓型功率變換器。
背景技術：
為了提高電壓耐受等級，減小輸出電壓的諧波含量，以及減小由于較高的dv/dt而造成的電磁干擾等目的，多電平電力電子功率變換器一直以來都獲得了廣泛的關注和研
究，也產(chǎn)生了大量的實際應用裝置。國內外相關的研究機構及研發(fā)企業(yè)和單位也提出了多種拓撲結構的多電平功率變換器。多電平電力電子功率變換器主要有二極管箝位式、飛跨電容式、級聯(lián)式H橋式三種類型拓撲結構。當變流器輸出電平數(shù)比較多時，二極管箝位式拓撲結構將需要大量的箝位二極管，并要考慮直流側電容電壓平衡，基于可靠性及復雜性的原因，限制了它的應用。對于飛跨電容型多電平變流器，其優(yōu)點是具有較多的輸出電平組合，從而可以通過優(yōu)化調制策略來平衡電容器的電壓；缺點是當變換器的電平數(shù)增加時，需要大量的儲存電容器，拓撲結構較復雜。級聯(lián)式H橋多電平變流器由于采用H橋作為基本功率單元，具有模塊化布局與封裝的優(yōu)點，并沒有直流側電壓不平衡的問題；但是，需要額外的獨立直流電源。與基于耦合電感單相五電平電壓型功率變換器相比，所述的基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器在增加四個IGBT、八個二極管器件后，輸出電壓由五電平提升到九電平結構，從而可以降低電流總諧波畸變率，進一步提高系統(tǒng)運行性能。與二極管箝位三電平結構相比，所述的基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器在增加兩個IGBT、兩個耦合電感后，輸出電壓由五電平提升到九電平結構。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在基于耦合電感單相五電平功率變換器的基礎上，提出一種基于耦合電感單相九電平功率變換器。本發(fā)明不存在直流電容均壓問題，并提高輸出電壓電平數(shù)，在降低輸出電壓、電流諧波含量的同時提高多電平功率變換器的運行可靠性。本發(fā)明由二極管箝位三電平結構的兩個橋臂、兩電平結構的單個橋臂、兩個均壓電容和兩個耦合電感構成。三個所述的橋臂由電力電子功率器件構成。兩電平結構單個橋臂的輸出作為本發(fā)明基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器輸出端的一個端子；二極管箝位三電平結構兩個橋臂的輸出端分別與兩個耦合電感的兩個非公共連接點相連，耦合電感的公共連接點作為本發(fā)明單相九電平電壓型功率變換器輸出端的另外一個端子。同時，兩個耦合電感的連接方式為順接連接，即兩個耦合電感的公共連接點為一個耦合電感的同名端與另外一個耦合電感非同名端的公共連接點。本發(fā)明基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器具有以下特點和優(yōu)勢I.可以產(chǎn)生九電平的輸出電壓，輸出電壓諧波含量小，不存在直流電容均壓問題，系統(tǒng)運行可靠性高。
2.輸出電壓的最小電平值為直流電壓的1/4，與單相全橋型功率變換器相比可以大大降低諧波含量和輸出電壓的dv/dt，也就可以降低系統(tǒng)運行時的電磁干擾。3.只需要在二極管箝位三電平結構基礎上加入兩個耦合電感及兩電平結構的單個橋臂即可實現(xiàn)，結構簡單，十分便于生產(chǎn)制造。4.本發(fā)明配置靈活，適用范圍廣，既可以用于單相系統(tǒng)也可以用于三相系統(tǒng)，例如整流器、逆變器等。當模塊進行級聯(lián)時也可以應用于高壓系統(tǒng)，例如高壓直流輸電、高壓變頻器等。


圖I為本發(fā)明單相九電平功率變換器的電路原理圖；
圖2為本發(fā)明單相九電平功率變換器輸出電壓Uad的仿真波形圖；圖3為輸入電壓、電流的仿真計算波形圖；圖4為兩均壓電容電壓仿真計算波形圖；圖5為兩耦合電感電流仿真計算波形圖；圖6為耦合電感電壓ub。仿真計算波形圖；圖7為耦合電感電壓ub。的頻譜分析圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。所述的第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂由電力電子功率器件即第一至第十全控型電力電子開關器件S1-Sltl和第一至第十四二極管D1-D14構成。以下以S1-Sltl選用IGBT的情況為例，說明各個器件之間的連接方式如圖I所示，第一橋臂由第一開關S1、第二開關S2、第一二極管D1和第二二極管D2構成。第一開關S1的發(fā)射極與第二開關S2的集電極相連構成第一橋臂的輸出端a。第一二極管D1的正極與第一開關S1的發(fā)射極相連，第一二極管D1的負極與第一開關S1的集電極相連；第二二極管D2的正極與第二開關S2的發(fā)射極相連，第二二極管D2的負極與第二開關S2的集電極相連。第二橋臂由第三開關S3、第四開關S4、第五開關S5、第六開關S6,以及第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5、第六二極管D6、第十一二極管Dn、第十二二極管D12構成。第三開關S3的發(fā)射極與第四開關S4的集電極相連；第五開關S5的發(fā)射極與第六開關S6的集電極相連；第四開關S4的發(fā)射極與第五開關S5的集電極相連構成第二橋臂的輸出端b ;第三二極管D3的正極與第三開關S3的發(fā)射極相連,第三二極管D3的負極與第三開關S3的集電極相連；第四二極管D4的正極與第四開關S4的發(fā)射極相連，第四二極管D4的負極與第四開關S4的集電極相連；第五二極管D5的正極與第五開關S5的發(fā)射極相連，第五二極管D5的負極與第五開關S5的集電極相連；第六二極管D6的正極與第六開關S6的發(fā)射極相連，第六二極管D6的負極與第六開關S6的集電極相連；第十一二極管D11的正極與第十二二極管D12的負極相連，第十一二極管D11的負極與第三開關S3的發(fā)射極相連，第十二二極管D12的正極與第五開關S5的發(fā)射極相連；第三橋臂由第七開關S7、第八開關S8、第九開關S9、第十開關Sltl,以及第七二極管D7、第八二極管D8、第九二極管D9、第十二極管Dltl、第十三二極管D13、第十四二極管D14構成。第七開關S7的發(fā)射極與第八開關S8的集電極相連；第九開關&的發(fā)射極與第十開關Sltl的集電極相連；第八開關&的發(fā)射極與第九開關S9的集電極相連構成第三橋臂的輸出端C ;第七二極管D7的正極與第七開關S7的發(fā)射極相連，第七二極管D7的負極與第七開關S7的集電極相連；第八二極管D8的正極與第八開關S8的發(fā)射極相連，第八二極管D8的負極與第八開關S8的集電極相連；第九二極管D9的正極與第九開關S9的發(fā)射極相連，第九二極管D9的負極與第九開關S9的集電極相連；第十二極管Dltl的正極與第十開關Sltl的發(fā)射極相連，第十二極管Dltl的負極與第十開關Sltl的集電極相連；第十三二極管D13的正極與第十四二極管D14的負極相連，第十三二極管D13的負極與第七開關S7的發(fā)射極相連，第十四二極管D14的正極與第九開關S9的發(fā)射極相連；第一開關S1、第三開關S3和第七開關S7的集電極均連接到均壓電容上電容Cdl的正極；第二開關S2、第六開關S6和第十開關Sltl的發(fā)射極均連接到均壓電容下電容Cd2的負極；均壓電容下電容Cdl的負極連接到均壓電容上電容Cd2的正極；第十一二極管D11的正極與第十三二極管D13的正極均連接到均壓電容上電容Cdl的負極。第一橋臂輸出端a作為基于耦合電感單相九電平功率變換器輸出端的第一端子1，第二橋臂的輸出端b和第三橋臂的輸出端c分別連接 到兩個耦合電感非公共點的兩個端子，耦合電感的公共點端子作為基于耦合電感單相九電平功率變換器輸出端的第二端子2。兩個耦合電感為順接方式，即兩個耦合電感的公共連接點為一個耦合電感的同名端與另外一個耦合電感非同名端的公共連接點。所述的IGBT可用MOSFET及其他全控型電力電子開關器件替代。為了進一步說明本發(fā)明基于耦合電感單相九電平功率變換器的工作原理，首先分析圖I中兩個耦合電感的作用。假設兩個耦合電感匝數(shù)相同，共同繞制在同一個鐵芯上，兩者的主自感均為M ;同時假設漏自感很小，即可以忽略。假設兩個耦合電感的耦合系數(shù)為1，也就是說兩個耦合電感的互感也等于M。以兩均壓電容的中點η點作為參考點，則有如下動態(tài)電壓方程Mdib/dt-Mdic/dt=ubn_udn (I)Mdic/dt-Mdib/dt=ucn_udn (2)式中ib、i。為耦合電感電流，ubn, Ucn為兩個耦合電感非公共端相對兩電容中點的電壓，Udn為兩個耦合電感公共連接點相對兩電容中點的電壓。同時，根據(jù)基爾霍夫定律有ib+ic=id ⑶式中id為耦合電感公共連接點輸出電流。解方程(1)-(3)式可得Udn= (ubn+ucn) /2 (4)可見，耦合電感的作用相當于將兩個輸入電壓進行了串聯(lián)。因此，單相九電平功率變換器的輸出電壓為Uad=Uan-Udn=Uan- (ubn+ucn) /2 (5)式中Uan為第一橋臂輸出端相對兩電容中點的電壓、Uad為變換器輸入電壓。兩電平結構單個橋臂的兩個開關器件為互補工作方式，即只有兩種開關狀態(tài)。當?shù)谝婚_關S1開通時，第二開關S2必須關斷；第二開關S2開通時，第一開關S1必須關斷。因此，Uan可輸出兩個電平的電壓，即+叫和-叫。二極管嵌位三電平結構兩個橋臂的八個開關器件中第三開關S3與第五開關S5為互補工作方式、第四開關S4與第六開關S6為互補工作方式、第七開關S7與第九開關S9為互補工作方式、第八開關S8與第十開關Sltl為互補工作方式，因此，Ubn和Um均可輸出三個電平的電壓，即+ud、0、-ud。故由(5)式可知，Uad可以輸出九個電平的電壓，即 +2ud、+l. 5ud、+ud、+0. 5ud、0、-0. 5ud、-ud、_l· 5ud 和 _2ud。因此，選擇合適的調制方式，即可實現(xiàn)單相九電平功率變換器的輸出電壓為九電平。圖2為本發(fā)明單相九電平功率整流器輸出電壓Uad的仿真計算波形圖，圖3為輸入電壓、電流的仿真計算波形圖，單位功率因數(shù)為I運行，圖4為兩均壓電容電壓仿真計算波形圖，圖5為兩耦合電感電流仿真計算波形圖，圖6為耦合電感電壓ub。仿真計算波形圖，圖7為ub。的頻譜分析圖。仿真參數(shù)為輸入電Sus=45V，輸入電壓頻率為50Hz，直流母線參考電壓ud。,ef=80V，調制方式為正弦脈寬調制，載波頻率為I. 4kHz，兩個耦合電感的主自感為3mH，負載為純電阻負載R=Il. 7 Ω。兩倍頻LC濾波器電感為O. 79mH,兩倍頻LC濾波器電容3. 2mF,兩均壓電容分別 為8. 8mF。由這些仿真計算結果可見，單相九電平功率變換器輸出電壓Uab為九電平的脈寬調制波形，且耦合電感兩端的電壓中不含直流分量和基波分量，不會因調制產(chǎn)生的直流分量導致電感飽和，同時由于不含有基波分量，所需要耦合電感的值也很小。兩均壓電容可以達到自均衡效果，不需要進行均壓控制，簡化了控制算法。這些仿真計算結果表明本發(fā)明正確可行。
權利要求
1.一種基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述基于耦合電感單相九電平功率變換器由二極管箝位三電平結構的兩個橋臂、兩電平結構的單個橋臂、兩個均壓電容和兩個耦合電感構成；所述兩電平結構單個橋臂的輸出端作為所述基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器輸出端的一個端子；二極管箝位三電平結構兩個橋臂的輸出端分別與所述兩個耦合電感的兩個非公共連接點相連，兩個耦合電感的公共連接點作為所述基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器輸出端的另外一個端子；所述兩個耦合電感為順接連接。
2.如權利要求I所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述的第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂由第一開關至第十開關(S1-Sltl),以及第一至第十四二極管(D1-D14)構成，所述的第一開關至第十開關(S1-Sltl)為電力電子功率器件。
3.如權利要求2所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述的第一開關至第十開關(S1-Sltl)選用IGBT ;所述的第一橋臂由第一開關(S1X第二開關(S2)、第一二極管(D1)和第二二極管(D2)構成；第一開關(S1)的發(fā)射極與第二開關(S2)的集電極相連，構成第一橋臂的輸出端(a);第一二極管(D1)的正極與第一開關(S1)的發(fā)射極相連，第一二極管(D1)的負極與第一開關(S1)的集電極相連；第二二極管(D2)的正極與第二開關(S2)的發(fā)射極相連，第二二極管(D2)的負極與第二開關(S2)的集電極相連；所述的第二橋臂由第三開關(S3)、第四開關(S4)、第五開關(S5)、第六開關(S6)、第三二極管(D3)、第四二極管(D4)、第五二極管(D5)、第六二極管(D6)、第十一二極管(D11),以及第十二二極管(D12)構成；第三開關(S3)的發(fā)射極與第四開關(S4)的集電極相連；第五開關(S5)的發(fā)射極與第六開關(S6)的集電極相連；第四開關(S4)的發(fā)射極與第五開關(S5)的集電極相連，構成第二橋臂的輸出端(b);第三二極管(D3)的正極與第三開關(S3)的發(fā)射極相連，第三二極管(D3)的負極與第三開關(S3)的集電極相連；第四二極管(D4)的正極與第四開關(S4)的發(fā)射極相連，第四二極管(D4)的負極與第四開關(S4)的集電極相連；第五二極管(D5)的正極與第五開關(S5)的發(fā)射極相連，第五極管(D5)的負極與第五開關(S5)的集電極相連；第六二極管(D6)的正極與第六開關(S6)的發(fā)射極相連，第六二極管(D6)的負極與第六開關(S6)的集電極相連；第十一二極管(D11)的正極與第十二二極管(D12)的負極相連，第十一二極管(D11)的負極與第三開關(S3)的發(fā)射極相連，第十二二極管(D12)的正極與第五開關(S5)的發(fā)射極相連；所述的第三橋臂由第七開關(S7)、第八開關(S8)、第九開關(S9)、第十開關(S1CI)、第七二極管(D7)、第八二極管(D8)、第九二極管(D9)、第十二極管(D1CI)、第十三二極管(D13),以及第十四二極管(D14)構成；第七開關(S7)的發(fā)射極與第八開關(S8)的集電極相連；第九開關(S9)的發(fā)射極與第十開關(Sltl)的集電極相連；第八開關(S8)的發(fā)射極與第九開關(S9)的集電極相連構成第三橋臂的輸出端(c);第七二極管(D7)的正極與第七開關(S7)的發(fā)射極相連，第七二極管(D7)的負極與第七開關(S7)的集電極相連；第八二極管(D8)的正極與第八開關(S8)的發(fā)射極相連，第八二極管(D8)的負極與第八開關(S8)的集電極相連；第九二極管(D9)的正極與第九開關(S9)的發(fā)射極相連，第九極管(D9)的負極與第九開關(S9)的集電極相連；第十二極管(Dltl)的正極與第十開關(Sltl)的發(fā)射極相連，第十二極管(Dltl)的負極與第十開關(Sltl)的集電極相連；第十三二極管(D13)的正極與第十四二極管(D14)的負極相連，第十三二極管(D13)的負極與第七開關(S7)的發(fā)射極相連，第十四二極管(D14)的正極與第九開關(S9)的發(fā)射極相連；第一開關(S1X第三開關(S3)和第七開關(S7)的集電極均連接到均壓電容上電容(Cdl)正極；第二開關(S2)、第六開關(S6)和第十開關(Sltl)的發(fā)射極均連接到均壓電容下電容(Cd2)負極；均壓電容上電容(Cdl)負極連接到均壓電容下電容(Cd2)正極；第十一二極管(D11)的正極與第十三二極管(D13)的正極均連接到均壓電容上電容(Cdl)負極。
4.如權利要求I所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述的第一橋臂的輸出端(a)作為所述的基于I禹合電感單相九電平功率變換器輸出端的第一端子(I);所述的第二橋臂的輸出端(b)和第三橋臂的輸出端(c)分別連接到所述的兩個耦合電感非公共點的兩個端子；所述的兩個耦合電感的公共點端子作為所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器輸出端的第二端子(2)。
5.如權利要求I所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述的兩個耦合電感順接，即兩個耦合電感的公共連接點為一個耦合電感的同名端與另外一個耦合電感非同名端的公共連接點。
6.如權利要求2所述的基于耦合電感單相九電平功率變換器，其特征在于所述的第一橋臂電力電子功率器件的直流電壓應力相同；所述的第二橋臂、第三橋臂電力電子功率器件的直流電壓應力相同。
全文摘要
一種基于耦合電感單相九電平功率變換器，由二極管箝位三電平結構的兩個橋臂、兩電平結構的單個橋臂、兩個均壓電容和兩個耦合電感構成。所述兩電平結構單個橋臂的輸出端作為所述基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器輸出端的一個端子。二極管箝位三電平結構兩個橋臂的輸出端分別與兩個耦合電感的兩個非公共連接點相連，兩個耦合電感的公共連接點作為所述基于耦合電感單相九電平電壓型功率變換器輸出端的另外一個端子。所述的兩個耦合電感為順接連接。本發(fā)明可作為單相逆變器、整流器等功率變換器，也可由三個該變換器構成三相九電平功率變換器應用于三相場合；在需要高電壓的場合，亦可通過本發(fā)明的級聯(lián)構成更多電平數(shù)的功率變換器。
文檔編號H02M7/483GK102882409SQ20121038213
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權日2012年10月10日
發(fā)明者趙魯, 李子欣, 李耀華, 葛瓊璇, 任晉旗, 馬遜 申請人:中國科學院電工研究所