H桥模块单元串联组合单相高压变换器及多电平控制方法

摘要

本发明提供了H桥模块单元串联组合单相高压变换器及多电平控制方法，所述变换器包括2N个H桥模块单元和4个桥臂电感，每个H桥模块单元由4个带续流二极管的功率开关元件及1个直流电容构成，每相功率开关单元由2个功率开关元件正负极依次串联，串联中点及负极为输出端。两相功率开关单元的上功率开关元件的正极相连，选取其中一相功率开关单元与直流电容并联，其中上功率开关元件的正极与直流电容正极相连，下功率开关单元的负极与直流电容负极相连。变换器中带直流电容的相桥臂可输出0、±E、±2E、…±NE个电平，不带直流电容的相桥臂可输出0、±NE电平，采用多电平控制方法，单相交流输出电压将呈现正弦多电平电压，减少了谐波。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及H桥模块单元串联组合单相高压变换器及多电平控制方法。

背景技术

单相高压变换器在许多工业场合广泛应用，近几十年来国际上对单相高压变换器进行了深入的研究，提出了众多有意义的髙压拓扑。主要构造拓扑的技术包括：1、功率开关器件直接串联技术，其优点是可以直接应用现有拓扑，缺点是各功率开关器件串联存在静态和动态均压问题，对功率开关器件的开通和关断一致性要求较高，易于出现器件故障；2、多重化技术，其优点是通过多绕组工频变压器耦合，实现高电压、低谐波输出，缺点是需要用工频多绕组变压器，成本、损耗、复杂性增加，且有直流磁化现象；3、多电平技术，其优点是直流侧采用串联直流电容实现功率开关器件均压，缺点是功率开关器件的导通电流负荷不一致，造成各直流电容上直流电压的不平衡，且拓扑较复杂；4、模块组合多电平变换器即MMC变换器，其优点是，由多个相同的模块化功率单元和两个桥臂电感依次串联构成，实现了高度模块化，在器件电流应力、不平衡运行、故障保护等方面比一般多电平技术具有更明显的优势，是目前高压电能变换首选的变换器。

此外，一般的单相高压变换器，无法较好地实现多电平控制，通常采用PWM控制，要求功率器件工作在高频状态，且开关损耗较大。

本发明在MMC变换器基础上，提出一种模块化程度更高的组合单相高压变换器。本发明提出的变换器与MMC变换器有以下不同：1、模块化功率单元不同，MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用H桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，MMC变换器是每相模块化功率单元串联组合后再组合，而本发明是模块化功率单元串联一次组合完成；3、可以单独控制单相桥臂的电平，实现输出多电平正弦波，谐波较小，与PWM控制技术相比，开关损耗小、效率高。因而本发明与MMC变换器相比较，具有以下显著的优点：1、减少了元器件；2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、单桥臂多电平控制，谐波小；5、可靠性高；6、成本下降。

发明内容

本发明提出一种H桥模块单元串联组合单相高压变换器及多电平控制方法，与现有单相高压变换器比较，模块化程度更高，减少了元器件，减少了功率单元数，组合简单，可单桥臂多电平控制，谐波小，可靠性更高，且成本下降，在高压工业应用中有广阔的前景。

一种H桥模块单元串联组合单相高压变换器，其包括2N个H桥模块单元和4个桥臂电感，其中单相高压变换器的上桥臂由N个H桥模块单元串联后再相应与2个桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由另外2个桥臂电感的一端与N个H桥模块单元依次串联构成，然后单相高压变换器上桥臂中的2个桥臂电感的另一端与下桥臂中的2个桥臂电感的另一端串联，上桥臂中的2个桥臂电感与下桥臂中的2个桥臂电感之间的2个连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。

进一步地，所述H桥模块单元由4个带续流二极管的功率开关元件及1个直流电容构成。

进一步地，所述的H桥模块单元中，每2个功率开关元件串联构成1相功率开关单元，4个功率开关元件共构成2相，即a相和b相，其中每1相均各自包含第一开关管和第二开关管，第一开关管的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端。选择a相的A端接到直流电容的正极、C端接到直流电容的负极，然后a相和b相的A端相连接，直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电压。

进一步地，所述H桥模块单元中每相功率开关单元包括4种工作状态，第一种状态是第一开关管导通，其它器件均关断；第二种状态是第一续流二极管导通，其它器件均关断；第三种状态是第二开关管导通，其它器件均关断；第四种状态是第二续流二极管导通，其它器件均关断。

进一步地，单相高压变换器的上桥臂由N个H桥模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个H桥模块单元每相的B端a₊、b₊端与电源的正极相连接，第一个H桥模块单元每相的B端即U_a1、U_b1与电源的正极相连接，第一个H桥模块单元每相的C端与第二个H桥模块单元的U_a2、U_b2相连接，依此规律，第i个H桥模块单元的B端即U_ai、U_bi分别连接到第i-1个H桥模块单元每相的C端，第i个H桥模块单元每相的C端分别连接到第i+1个H桥模块单元的B端即U_a(i+1)、U_b(i+1)，N个H桥模块单元连接后，第N个H桥模块单元每相的C端分别与第一电感和第二电感连接。

进一步地，单相高压变换器的下桥臂由桥臂电感与N个H桥模块单元依次串联构成，第三电感和第四电感分别与第N+1个H桥模块单元每相的B端即U_a(N+1)、U_b(N+1)相连接，第N+1个H桥模块单元每相的C端与第N+2个H桥模块单元每相的B端即U_a(N+2)、U_b(N+2)相连接，依次规律，单相高压变换器的下桥臂的N个H桥模块单元连接后，第2N个H桥模块单元每相的C端即a_-、b_-端连接到电源的负极。

进一步地，所述单相高压变换器的多电平控制方法，带直流电容的相桥臂即a相可输出0、±E、±2E、…、±NE个电平，不带直流电容的相桥臂即b相可输出0、±NE电平，通过控制单桥臂输出电平，得到单相交流输出电压为正弦多电平。 

本发明提出的变换器与MMC变换器有以下不同：1、模块化功率单元不同，MMC变换器采用单相模块化功率单元，本发明是采用H桥式模块化功率单元；2、组合方式不同，MMC变换器是每相模块化功率单元串联组合后再组合，而本发明是模块化功率单元串联一次组合完成；3、可以通过一个桥臂电平的控制，实现输出多电平正弦波，谐波较小，与PWM控制技术相比，开关损耗小、效率高。因而本发明与MMC变换器相比较，具有以下显著的优点：1、减少了元器件；2、减少了模块化功率单元数；3、组合简单；4、单桥臂多电平控制，谐波小；5、可靠性高；6、成本下降。

附图说明

图1是构成单相高压变换器的H桥模块单元。

图2是本发明的H桥模块单元串联组合单相高压变换器主电路。

图3是具有2N=4个模块的H桥式模块单元串联组合单相高压变换器。

图4是具有2N=4个模块的H桥式模块单元串联组合单相高压变换器的一种多电平输出波形。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

图1所示的是本发明H桥式模块单元，H桥模块单元包含4个带续流二极管的功率开关元件及1个直流电容构成。每2个功率开关元件串联构成1相功率开关单元，4个功率开关元件共构成2相，即a相和b相，其中每1相均各自包含第一开关管T₁和第二开关管T₂，第一开关管T₁的正极接到A端，负极接到B端；第二开关管T₂的正极接到B端，负极接到C端，其中B端、C端为输出端。选择a相的A端接到直流电容C_E的正极、C端接到直流电容C_E的负极，然后a相和b相的A端相连接，直流电容C_E上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。

图2所示的H桥模块单元串联组合单相高压变换器构成方式如下：1、上桥臂由N个H桥模块单元与桥臂电感依次串联构成，第一个H桥模块单元M₁每相的B端a₊、b₊端与电源V的正极相连接，第一个H桥模块单元M₁每相的B端即U_a1、U_b1与电源V的正极相连接，第一个H桥模块单元M₁每相的C端与第二个H桥模块单元M₂的U_a2、U_b2相连接，依此规律，第i个H桥模块单元M_i的B端即U_ai、U_bi分别连接到第i-1个H桥模块单元M_i-1每相的C端，第i个H桥模块单元M_i每相的C端分别连接到第i+1个H桥模块单元M_i+1的B端即U_a(i+1)、U_b(i+1)，N个H桥模块单元连接后，第N个H桥模块单元M_N每相的C端分别与第一电感L_ap和第二电感L_bp连接。2、下桥臂由桥臂电感与N个H桥模块单元依次串联构成，第三电感L_an和第四电感L_bn分别与第N+1个H桥模块单元M_N+1每相的B端即U_a(N+1)、U_b(N+1)相连接，第N+1个H桥模块单元M_N+1每相的C端与第N+2个H桥模块单元M_N+2每相的B端即U_a(N+2)、U_b(N+2)相连接，依次规律，单相高压变换器的下桥臂的N个H桥模块单元连接后，第2N个H桥模块单元M_2N每相的C端即a_-、b_-端连接到电源V的负极。3、将两相桥臂的上下桥臂在a、b点处连接，然后分别引出连接到负载。

图3是一个具有2N=4个模块的H桥模块单元串联组合单相高压变换器，它由4个H桥模块单元M₁、M₂、M₃、M₄及4个桥臂电感构成，其中4个桥臂电感的电感值相同，均为L。

图4是具有2N=4个模块的H桥模块单元串联组合单相高压变换器的其中一种多电平控制方式下的输出波形，从图中可见，a端输出电平为0、±E、±2E，b端输出电平为±2E，输出电压V_ab为多电平输出。