專利名稱：一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置。
背景技術(shù)：
二極管箝位式多電平變換器利用多個(gè)串聯(lián)的直流電容接在直流側(cè)兩端，同時(shí)，變換器每個(gè)橋臂的多個(gè)串聯(lián)開關(guān)器件通過二極管連接在每個(gè)直流電容上，即通過二極管將開關(guān)器件的電壓箝位到連接的一個(gè)直流電容電壓上，將直流母線電壓分為多個(gè)電平。因此，每個(gè)橋臂的多個(gè)開關(guān)器件在不同的開關(guān)組合下可向交流側(cè)輸出不同電平的電壓信號(hào)。通過各種PWM(Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制)調(diào)制方法，二極管箝位式多電平變換器將多個(gè)電平輸出信號(hào)合成調(diào)制信號(hào)，電平數(shù)越多，變換器輸出的交流電壓越逼近調(diào)制信號(hào)。但是，在二級(jí)管箝位多電平變換器中，各個(gè)電容器上輸出不相等的功率將導(dǎo)致電容器上的電壓不相等，即出現(xiàn)所謂的電容電壓不平衡問題。通過優(yōu)化的PWM調(diào)制方法，直流電容在一定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)電壓平衡與穩(wěn)定，其平衡與穩(wěn)定的條件與負(fù)載電流的相角有關(guān)。當(dāng)多電平變換器傳遞純有功電流時(shí)，即負(fù)載電流角度在0度附近時(shí)，為保證直流電壓穩(wěn)定，要求PWM調(diào)制深度不大于0. 55，極大的限制二極管箝位電路在有功傳遞領(lǐng)域的應(yīng)用。如果調(diào)制度過大將導(dǎo)致直流電容電壓的不平衡。直流電壓不平衡的結(jié)果是多電平變換器最終退化成兩電平變換器，同時(shí)失去多電平所具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，各個(gè)器件耐壓不均衡，甚至影響變換器的自身運(yùn)行安全。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是提供一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置。該裝置能夠在任意功率因數(shù)條件下，特別是在傳遞有功電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無(wú)功的傳遞。且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性強(qiáng)。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案是一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極管箝位型多電平變換器的多個(gè)直流電容Cln，η =1、2、3. . . N，其特征是所述的多個(gè)直流電容Cln中的每個(gè)直流電容均與相應(yīng)的輔助開關(guān)器件組并聯(lián)，所述的輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件Sna、Snb, η = 1、2、3. . . N串聯(lián)組成；相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)連接輔助直流電容〔211，11=1、2、3..^;輔助開關(guān)器件 Sna, Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。本實(shí)用新型的均壓控制裝置實(shí)現(xiàn)二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓均壓控制的工作過程在一個(gè)調(diào)制周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關(guān)器件Sna全部導(dǎo)通，其余的輔助開關(guān)器件Snb全部關(guān)斷；調(diào)制周期的后半段，輔助控制模塊使開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)調(diào)，即前半段開通的開關(guān)器件Sna此時(shí)關(guān)斷，前半段關(guān)斷的開關(guān)器件Snb此時(shí)開通。
3[0008]其具體工作原理是一個(gè)周期前半段不相鄰的開關(guān)器件全部導(dǎo)通，其余的開關(guān)器件全部關(guān)斷。假設(shè)每個(gè)開關(guān)組中與直流電容正極端連接的開關(guān)器件Sna，η = 1、2、3. . . N導(dǎo)通，此時(shí)從直流電壓正極端算起，第一、第二、第三...第N-I個(gè)(N為多電平變換器的直流電容數(shù))直流電容Cll、C12、C13. . . ClN-I分別與第一、第二、第三...第N-I個(gè)輔助電容C21、C22、 C23. . . C2N-1導(dǎo)通進(jìn)行均壓；后半段則為每個(gè)開關(guān)組中與直流電流負(fù)極端側(cè)的開關(guān)器件 Snb, η = 1、2、3· · . N導(dǎo)通，此時(shí)第二、第三..·第N個(gè)直流電容C12、C13. · · ClN分別與第一、 第二、第三...第N-I個(gè)輔助電容導(dǎo)通進(jìn)行均壓。因此，在一個(gè)PWM周期的前后段時(shí)期內(nèi)，每一個(gè)輔助直流電容C2n-1將分別通過相連接的輔助開關(guān)器件組的兩個(gè)開關(guān)Sna、Snb與相鄰的2個(gè)直流電容Cln-1、Cln相連，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)2個(gè)直流電容電壓Cln-1、Cln的均壓，也即相鄰的任一直流電容Cln通過輔助電容C2n-1實(shí)現(xiàn)均壓。經(jīng)過M個(gè)PWM周期后，從直流電壓正極端算起，第一個(gè)直流電容Cll總共完成了 M*N次均壓，其他直流電容Cln和輔助電容C2n總共完成了 2M*N次均壓。足夠長(zhǎng)時(shí)間后所有直流電容Cln最終都將和所有輔助電容C2n的電壓趨于同一值，即實(shí)現(xiàn)直流電容電壓的穩(wěn)壓與均壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是一、由均壓控制裝置實(shí)現(xiàn)主電路直流電容的均壓與穩(wěn)壓，因此與主電路的PWM調(diào)制方法和控制方法無(wú)關(guān)，不影響現(xiàn)有主電路和控制原理，可用于任一電平、任一結(jié)構(gòu)的二極管箝位變換器的改造和新造，使用范圍廣，實(shí)施方便容易。二、均壓控制裝置的開關(guān)器件的控制采用不相鄰開關(guān)器件等分時(shí)輪流導(dǎo)通，策略簡(jiǎn)單，對(duì)控制模塊的軟硬件要求低；且不需要主電路或者均壓控制裝置的電壓和電流信息， 因此不需要附加傳感器等信號(hào)采集硬件，也使整個(gè)電路簡(jiǎn)單可靠，制作與維護(hù)成本低。三、該均壓控制裝置解決了二極管箝位電路各直流電容電壓的均壓?jiǎn)栴}。特別是在傳遞有功電流時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，因此就解決了由于直流電容電壓不均衡所導(dǎo)致的相關(guān)問題。即增設(shè)了該穩(wěn)壓電路的二極管箝位多電平變換器不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，能夠在任意功率因數(shù)和任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無(wú)功的傳遞。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1的五電平二極管五電平箝位變換器電路原理圖。圖2是本實(shí)用新型用于N+1電平二極管箝位變換器的電路原理簡(jiǎn)化示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1圖1示出，本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
是一種二極管箝位型五電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極管箝位型五電平變換器的四個(gè)直流電容C11、C12、 C13、C14。四個(gè)直流電容Cll、C12、C13、C14中的每個(gè)直流電容與一輔助開關(guān)器件組并聯(lián)， 該輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件Sla、Slb或S2a、S2b或S3a、S3b或S4a、S4b串聯(lián)組成；相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)(即兩輔助開關(guān)器件的連接點(diǎn))連接輔助直流電容 C21、C22、或C23;輔助開關(guān)器件的控制端則與輔助控制模塊相連。使用本例的二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置實(shí)現(xiàn)直流電容電壓均壓的控制方法是在一個(gè)調(diào)制周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關(guān)器件Sla、S2a、S3a、S4a導(dǎo)通，其余的輔助開關(guān)器件Sib、S2b、S3b、S4b關(guān)斷；調(diào)制周期的后半段，輔助控制模塊使開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)調(diào)，即前半段開通的開關(guān)器件Sla、S2a、 S3a、S4a此時(shí)關(guān)斷，前半段關(guān)斷的開關(guān)器件Sib、S2b、S3b、S4b此時(shí)開通。本實(shí)施例的具體工作原理是一個(gè)周期前半段不相鄰的開關(guān)器件導(dǎo)通，其余的開關(guān)器件關(guān)斷，假設(shè)每個(gè)開關(guān)組中正極端側(cè)的開關(guān)器件Sla、S2a、S3a、S4a導(dǎo)通，此時(shí)從直流電壓正極端算起，第一、第二、 第三個(gè)直流電容Cll、C12、C13分別與第一、第二、第三輔助電容C21、C22、C23導(dǎo)通進(jìn)行均壓；后半段則為每個(gè)開關(guān)組中負(fù)極端側(cè)的開關(guān)器件導(dǎo)通，此時(shí)第二、第三第四個(gè)直流電容 C12、C13、C14分別與第一、第二、第三個(gè)輔助電容C21、C22、C23導(dǎo)通進(jìn)行均壓。輔助直流電容與相應(yīng)直流電容導(dǎo)通進(jìn)行均壓的具體分析與計(jì)算如下為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)各電容的電容值相同，且初始時(shí)，輔助直流電容C21、C22、C23的電壓為0，即VC21(T00) = VC22 (TOO) = VC23 (TOO) = 0，直流電容C11-C14的電壓分別是 VCl 1 (TOO)，VC12 (T00)，VC13 (T00)，VC14 (T00)。在第一次PWM 周期起始時(shí)刻(T00)后，Sla、S2a、S3a、S4a 開通，Slb、S2b、S3b、S4b 關(guān)斷，則輔助電容C21通過Sla和Sh與主電路電容Cll直接相連，由于此時(shí)VCll (T00) > VC21 (TOO)，則Cll通過開關(guān)管Sla和開關(guān)管S2a的反并二極管對(duì)C21進(jìn)行充電。類似C12 通過開關(guān)管Sh和開關(guān)管S3a的反并二極管對(duì)C22進(jìn)行充電；C13通過開關(guān)管S3a和開關(guān)管S^的反并二極管對(duì)C23進(jìn)行充電。C14由于S!3b和S4b關(guān)斷，與輔助電路無(wú)任何電流通道。如果開關(guān)狀態(tài)保持的時(shí)間足夠長(zhǎng)，則(11、(12、(13對(duì)021丄22丄23充電直到二者電壓相等時(shí)刻(TOla)，Cll和C21實(shí)現(xiàn)均壓，此時(shí)，VCll(TOla) = VC21(TOla) = [VC21 (TOO)+VCll (TOO) ]/2 = VClI(TOO)/2 ；同理，C12和C22實(shí)現(xiàn)均壓VC12 (TOla) = VC22 (TOla) = VC12(T00)/2 ；C13和C23實(shí)現(xiàn)均壓VC13 (TOla) = VC23 (TOla) = VC13T00)/2 ；電容C14電壓由于無(wú)電流通路，維持初始電壓VCH(TOO)不變，即VC14 (TOla) = VC14 (T00)。在后半段(TOlb)，所有的輔助電力電子開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)調(diào)，此時(shí)Sla、S2a、 S3a、S4a關(guān)斷，則Sib、S2b、S3b、S4b導(dǎo)通。此時(shí)輔助電容C21通過Slb和S2b與主電路電容C12直接相連，此時(shí)電容Cll由于Sla和Sh關(guān)斷，與電容C21-C23無(wú)電流通路，所以維持上一時(shí)刻電壓VCll(TOla)不變；另外，如果VC12 > VC21，則C12對(duì)C21充電；如果VC12 < VC21則C21對(duì)C12充電。同理分析，C13對(duì)C22進(jìn)行充放電，C14對(duì)C23進(jìn)行充放電。如果TOlb時(shí)刻后的開關(guān)狀態(tài)保持的時(shí)間足夠長(zhǎng)，則C12、C13、C14對(duì)C21、C22、 C23充電或者C21、C22、C23對(duì)C12、C13、C14充電直到二者電壓相等時(shí)亥Ij (T02a)。此時(shí)
5VCll (T02a)維持上一時(shí)刻電壓VCll(TOla)不變，即，VCll (T02a) = VCll(TOla) = VClI(TOO)/2 ；如果VC12與VC21均壓，得VC12 (T02a) = VC21 (T02a) = [VC12 (TOla) +VC21 (TOla) ] / 2 = [VC12 (TOO)+VClI(TOO)]/4 ；同樣，VC13 與 VC22，可得VC13(T02a) = VC22 (T02a) = [VC13 (TOO)+VC12 (TOO) ]/4 ；VC14與VC33均實(shí)現(xiàn)均壓，可得VC14(T02a) = VC33 (T02a) = [2*VC14 (TOO)+VC13 (TOO)]/4 ；該狀態(tài)一直保持到下一次PWM周期的開始。從而每一個(gè)輔助直流電容C21、C22、C23在一個(gè)PWM周期的前后段時(shí)期內(nèi)，分別通過相連接的輔助開關(guān)器件組的兩個(gè)開關(guān)與相鄰的2個(gè)直流電容相連實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)直流電容電壓的均壓，也即相鄰的任一直流電容(如Cll和C12，C12和C13)通過輔助電容實(shí)現(xiàn)均壓。 經(jīng)過M個(gè)PWM周期后，第一、第四個(gè)直流電容Cll、C14和輔助電容完成M*N次均壓，其他直流電容和輔助電容完成2M*N次均壓。經(jīng)過多個(gè)PWM控制周期后，所有輔助直流電容與直流電容的電壓差逐漸減小，所有直流電容的電壓值很快趨于相等，即可實(shí)現(xiàn)直流電容的均壓與穩(wěn)壓。實(shí)施例2—種二極管箝位型七電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極管箝位型七電平變換器的六個(gè)直流電容C11、C12、C13、C14、C15、C16。六個(gè)直流電容C11、C12、C13、 C14、C15、C16中的每個(gè)直流電容均與一輔助開關(guān)器件組并聯(lián)，該輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件 Sla,Slb 或 S2a、S2b 或 S3a、S3b 或 S4a、S4b 或 S5a、S5b 或 S6a、S6b 串聯(lián)組成； 相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)(即兩輔助開關(guān)器件的連接點(diǎn))連接輔助直流電容；輔助開關(guān)器件的控制端則與輔助控制模塊相連。使用本例的二極管箝位型七電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置實(shí)現(xiàn)直流電容電壓均壓的控制方法是在一個(gè)調(diào)制周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關(guān)器件Sla、S2a、S3a、S4a、Sfe和S6a導(dǎo)通，其余的輔助開關(guān)器件Slb、S2b、S3b、S4b、S5b、 S6b關(guān)斷；調(diào)制周期的后半段，輔助控制模塊使開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)調(diào)，即前半段開通的開關(guān)器件Sla、S^i、S3a、S^、Sfe和S6a此時(shí)關(guān)斷，前半段關(guān)斷的開關(guān)器件Slb、S2b、S3b、S4b、 S5b、S6b此時(shí)開通。顯然，本實(shí)用新型除可用于五電平變換器、七電平變換器外，還可用于任意N+1電平變換器。圖2給出了本實(shí)用新型用于N+1電平變換器的電容電壓的均壓控制電路，包括二極管箝位型N+1電平變換器的N個(gè)直流電容Cln，η = 1、2、3...Ν。N個(gè)直流電容Cln中的每個(gè)直流電容均與相應(yīng)的輔助開關(guān)器件組并聯(lián)。輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件Sna、 Snb, η = 1、2、3. . .N串聯(lián)組成；相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)連接輔助直流電容C2n，η =1、2、3. . . N ；輔助開關(guān)器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。二極管箝位型多(N+1)電平變換器直流電容電壓的均壓控制電路實(shí)現(xiàn)直流電容電壓均壓的控制方法是在一個(gè)調(diào)制周期的前半段，輔助控制模塊控制不相鄰的輔助開關(guān)器件Sna全部導(dǎo)通，其余的輔助開關(guān)器件Snb全部關(guān)斷；調(diào)制周期的后半段，輔助控制模塊使開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)對(duì)調(diào)，即前半段開通的開關(guān)器件Sna此時(shí)關(guān)斷，前半段關(guān)斷的開關(guān)器件Snb此時(shí)開通。
權(quán)利要求1. 一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極管箝位型多電平變換器的多個(gè)直流電容Cln，η = 1、2、3. . . N，其特征是所述的多個(gè)直流電容Cln中的每個(gè)直流電容均與相應(yīng)的輔助開關(guān)器件組并聯(lián)，所述的輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件Sna、Snb，η = 1、2、3. . . N串聯(lián)組成；相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)連接輔助直流電容C2n，η = 1、2、3. . . N ；輔助開關(guān)器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種二極管箝位型多電平變換器直流電容電壓的均壓控制裝置，包括二極管箝位型多電平變換器的多個(gè)直流電容C1n，n＝1、2、3...N，多個(gè)直流電容C1n中的每個(gè)直流電容均與相應(yīng)的輔助開關(guān)器件組并聯(lián)，所述的輔助開關(guān)器件組由2只輔助開關(guān)器件Sna、Snb，n＝1、2、3...N串聯(lián)組成；相鄰的兩輔助開關(guān)器件組的中點(diǎn)連接輔助直流電容C2n，n＝1、2、3...N；輔助開關(guān)器件Sna、Snb的控制端則與輔助控制模塊相連。該電路能夠在任意功率因數(shù)條件下，特別是在傳遞有功電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無(wú)功的傳遞。且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性強(qiáng)。
文檔編號(hào)H02M7/487GK202183739SQ201120252318
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月17日
發(fā)明者舒澤亮 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)