[发明专利]五电平有源中点箝位型H桥变流器

摘要

一种五电平有源中点箝位型H桥变流器，包含三个单相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(Vdc)的两端并联两个串联的分压电容器(C1、C2))，再和第一个桥臂、第二桥臂并联。每个桥臂为三电平有源中点箝位拓扑，a相、b相和c相的H桥变流器的结构相同。a相、b相和c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，组成五电平有源中点箝位H桥变流器。每个桥臂器件均有反并联二极管形成续流通道，构成一个可双向导通的开关器件单元。本发明可单独控制每个开关器件的最大损耗，平均桥臂上各个器件的损耗，提高功率容量，可用于大功率逆变器。

主权项

1.一种五电平有源中点箝位型H桥变流器，其特征在于：所述的五电平有源中点箝位型H桥变流器包含三个单相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(Vdc)的两端并联两个串联的分压电容器(C1、C2)，再和第一桥臂、第二桥臂并联；每个桥臂为三电平有源中点箝位拓扑；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，组成五电平有源中点箝位H桥变流器；所述的单相H桥变流器的第一桥臂由六个开关管(T11～T16)及其反并联二极管(D11～D16)组成；第一反并联二极管(D11)与第一开关管(T11)反并联，第二反并联二极管(D12)与第二开关管(T12)反并联，第三反并联二极管(D13)与第三开关管(T13)反并联，第四反并联二极管(D14)与第四开关管(T14)反并联，第五反并联二极管(D15)与第五开关管(T15)反并联，第六反并联二极管(D16)与第六开关管(T16)反并联；第一开关管(T11)、第二开关管(T12)、第三开关管(T13)、第四开关管(T14)依次串联连接，再与输入电压源(Vdc)并联；第五开关管(T15)和第六开关管(T16)串联，第一桥臂的第一引出点与电容器串联支路的中点O点相连；第五开关管(T15)的输入端同第二开关管(T12)的输入端相连，第六开关管(T16)的输出端同第三开关管(T13)的输出端相连；第二开关管(T12)和第三开关管(T13)的中间点记为点a，其引出线作为a相输出电压的火线；所述的单相H桥变流器的第二桥臂由六个开关管(T21～T26)及其反并联二极管(D21～D26)组成；第十一二极管(D21)与第十一开关管(T21)反并联，第十二二极管(D22)与第十二开关管(T22)反并联，第十三二极管(D23)与第十三开关管(T23)反并联，第十四二极管(D24)与第十四开关管(T24)反并联，第十五二极管(D25)与第十五开关管(T25)反并联，第十六二极管(D26)与第十六开关管(T26)反并联；第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)、第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)依次串联连接，再与输入电压源(Vdc)并联；第十五开关管(T25)和第十六开关管(T26)串联，第二桥臂的第一引出点与电容器串联支路的中点O点相连；第十五开关管(T25)的输入端和第十二开关管(T22)的输入端相连，第十六开关管(T26)的输出端和第十三开关管(T23)的输出端相连，第十二开关管(T22)和第十三开关管(T23)的中间点记为点n，其引出线作为a相输出电压的零线；对单相H桥输出的五个电平：直流母线电压Vdc、Vdc/2、0、‑Vdc/2和‑Vdc，每个输出电平由不同的开关管导通和关断实现，单相H桥电平状态定义如下：第一桥臂中，当第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)开通，第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)关断时，H桥输出电平为Vdc，定义电平状态为“2”；第一桥臂中，当第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)开通，第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断时；第二桥臂中，当第十二开关管(T22)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)关断，第十四开关管(T24)开通或者关断时，H桥输出电平为Vdc/2，电平状态定义为“1_1”；第一桥臂中，当第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)开通，第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)开通，第十二开关管(T22)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断，第十一开关管(T21)开通或者关断时，H桥输出电平为Vdc/2，电平状态电平状态定义为“1_2”；第一桥臂中，当第二开关管(T12)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第三开关管(T13)和第六开关管(T16)关断，第四开关管(T14)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)关断时，H桥输出电平为Vdc/2，电平状态电平状态定义为“1_3”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)和第六开关管(T16)开通，第二开关管(T12)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断，第一开关管(T11)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)关断时，H桥输出电平为Vdc/2，电平状态电平状态定义为“1_4”；第一桥臂中，当第二开关管(T12)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第三开关管(T13)和第六开关管(T16)关断，第四开关管(T14)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十二开关管(T22)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)关断，第十四开关管(T24)开通或者关断时，H桥输出电平为0，电平状态定义为“0_1”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)和第六开关管(T16)开通，第二开关管(T12)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断，第一开关管(T11)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)开通，第十二开关管(T22)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断，第十一开关管(T21)开通或者关断时，H桥输出电平为0，电平状态定义为“0_2”；第一桥臂中，当第二开关管(T12)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第三开关管(T13)和第六开关管(T16)关断，第四开关管(T14)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)开通，第十二开关管(T22)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断，第十一开关管(T21)开通或者关断时，H桥输出电平为0，电平状态电平状态定义为“0_3”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)和第六开关管(T16)开通，第二开关管(T12)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断，第一开关管(T11)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十二开关管(T22)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)关断，第十四开关管(T24)开通或者关断时,H桥输出电平为0，电平状态定义为“0_4”；第一桥臂中，当第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)开通，第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断时；第二桥臂中，当第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)开通，第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断时，H桥输出电平为0，电平状态定义为“0_5”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)关断时，H桥输出电平为0，电平状态定义为“0_6”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)关断时；第二桥臂中，当第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)开通，第十二开关管(T22)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断，第十一开关管(T21)开通或者关断时，H桥输出电平为‑Vdc/2，电平状态定义为“‑1_1”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)关断时；第二桥臂中，当第十二开关管(T22)和第十五开关管(T25)开通，第十一开关管(T21)、第十三开关管(T23)和第十六开关管(T26)关断，第十四开关管(T24)开通或者关断时，H桥输出电平为‑Vdc/2，电平状态定义为“‑1_2”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)和第六开关管(T16)开通，第二开关管(T12)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)关断，第一开关管(T11)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)开通，第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断时，H桥输出电平为‑Vdc/2，电平状态定义为“‑1_3”；第一桥臂中，当第二开关管(T12)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第三开关管(T13)和第六开关管(T16)关断，第四开关管(T14)开通或者关断时；第二桥臂中，当第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)开通，第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断时，H桥输出电平为‑Vdc/2，电平状态定义为“‑1_4”；第一桥臂中，当第三开关管(T13)、第四开关管(T14)和第五开关管(T15)开通，第一开关管(T11)、第二开关管(T12)和第六开关管(T16)关断时；第二桥臂中，当第十一开关管(T21)、第十二开关管(T22)和第十六开关管(T26)开通，第十三开关管(T23)、第十四开关管(T24)和第十五开关管(T25)关断时，H桥输出电平为‑Vdc，电平状态定义为“‑2”；所述的五电平有源中点箝位型H桥变流器平衡损耗的方法如下：采用第一种切换方式，电平状态在“2”、“1_3”、“0_1”、“‑1_2”、“‑2”之间切换，第六开关管(T16)、第一开关管(T11)、第五开关管(T15)、第十三开关管(T23)、第十二开关管(T22)、第二开关管(T12)、第三开关管(T13)、第十六开关管(T26)、第十五开关管(T25)、第十一开关管(T21)依次进行开关动作，最大损耗落在第一开关管(T11)和第十一开关管(T21)；采用第二种切换方式，电平状态在“2”、“1_4”、“0_6”、“1_1”、“‑2”之间切换，第二开关管(T12)、第三开关管(T13)、第六开关管(T16)、第四开关管(T14)、第五开关管(T15)、第十五开关管(T25)、第十四开关管(T24)、第十六开关管(T26)、第十三开关管(T23)、第十二开关管(T22)依次进行开关动作，最大损耗落在第二开关管(T12)和第十二开关管(T22)；采用第三种切换方式，电平状态在“2”、“1_1”、“0_1”、“‑1_4”、“‑2”之间切换，第十三开关管(T23)、第十二开关管(T22)、第六开关管(T16)、第一开关管(T11)、第五开关管(T15)、第十五开关管(T25)、第十一开关管(T21)、第十六开关管(T26)、第二开关管(T12)、第三开关管(T13)依次进行开关动作，最大损耗落在第三开关管(T13)和第十三开关管(T23)；采用第四种切换方式，电平状态在“2”、“1_2”、“0_2”、“‑1_3”、“‑2”之间切换，第十五开关管(T25)、第十四开关管(T24)、第二开关管(T12)、第三开关管(T13)、第十三开关管(T23)、第十二开关管(T22)、第六开关管(T16)、第四开关管(T14)、第五开关管(T15)依次进行开关动作，最大损耗落在第四开关管(T14)和第十四开关管(T24)。