CN102223099B - 自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型的级联三相桥式变换器，属于AC/DC变换器。该变换器包括星形连接且不带中性线的三相交流电源、三个输入电感和三个级联在一起的三相电压型桥式变换器。本发明利用三相输入线电压级联叠加的连接方式以降低开关管的电压应力，使该变换器适合应用在高压大功率等级场合，并且在三相输入电源不平衡时相间能量可互相补偿，使每个三相桥的直流输出电压自动均衡；利用三相桥桥臂之间的级联，使其比同级级联(m级)的由单相H桥级联变换器构成的三相级联变换器少用6只有源开关管和m+1个输出电容，以降低变换器的成本和体积。

Description

自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器

技术领域

本发明涉及一种AC/DC变换器的电路拓扑结构及其应用，特别是涉及一种能够应用在高压大功率等级场合，并能自动解决三相平衡控制的级联型三相桥式变换器。

背景技术

随着电力电子半导体器件、电路集成技术的不断发展和用户对电能质量要求的不断提高，电力电子变换器越来越多地应用在大功率场合中，如电力电子变压器的高压侧、大容量电机驱动等。常用的配电电压等级为10kV/380V，部分地区为20kV/380V，但一般全控型器件的电压等级在1kV左右，因此随着整流装置功率的加大，单个器件的电压或电流承受能力往往不能适应系统的容量，不能可靠稳定地工作。为了解决上述问题，必须采用多重化技术或多电平技术来达到提升功率等级的目的。其中，多电平技术是近年来应用最多的。

多电平变换器主要有二极管钳位型、电容钳位型、级联型等三种结构。级联型变换器与其它两种多电平变换器相比：它使用的元器件较少，容易实现电平数较高的输出；每个变换器的子单元结构相同，容易进行模块化设计、调试、安装等；各变换器单元的负荷一致。近年来，在高压大功率等级的交流-直流(AC/DC)变换中，单相级联型H桥变换器是应用得最多的拓扑，它交流侧的端电压通过串联方式叠加，每个输出的独立直流电容与一个单相全桥变换器相连，由3个单相级联型多电平变换器在交流侧经Y型或△型连接可构成三相级联型变换器。但由于该结构三相彼此是独立的，三相不平衡时各相的能量不能相互补偿以致相间功率互动控制困难。因此，由单相H桥级联变换器构成的三相级联型变换器的致命弱点是三相平衡控制复杂，难以实现。但在实际中，经常会发生三相输入电源不平衡的情况，故必须要提出一种能够自动解决三相不平衡问题的级联型三相桥式变换器。

三相桥式变换器可分为电压型和电流型两类。但电压型与电流型相比，前者是现在应用较多的拓扑结构，因其具有低谐波、高效率、低电磁干扰等优点，而后者的应用场合相对较少。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够应用在高压大功率等级场合并能自动解决三相平衡控制的级联型三相桥式变换器。电路本身的结构特点使该变换器在三相输入电源不平衡时，保证每个三相桥的输出直流电压自动均衡；在级联级数相同的情况下，还可以减少有源开关管数和输出滤波电容数。

本发明的发明目的是通过下述技术方案予以实现的：能自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含：

星形连接且不带中性线的三相输入电源u_a、u_b、u_c；

三个与每相电源串联的输入升压电感L_a、L_b、L_C，其电感值相同，三个电感的输出端分别记为A、B、C；

三个结构完全相同的三相电压型桥式变换器，三个三相桥对应相上下两桥臂的连接点分别记为A1、B1、C1，A2、B2、C2和A3、B3、C3；每个三相电压型桥式变换器由6只型号相同的IGBT S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn、6只与IGBT反并联且型号相同的二极管D、一个输出滤波电容C和电阻负载R构成，其中，A相上桥臂开关管S_ap的发射极与下桥臂开关管S_an的集电极相连，B相上桥臂开关管S_bp的发射极与下桥臂开关管S_bn的集电极相连，C相上桥臂开关管S_cp的发射极与下桥臂开关管S_cn的集电极相连，S_ap、S_bp和S_cp的集电极与输出滤波电容C的正极连在一起，S_an、S_bn和S_cn的发射极与输出滤波电容C的负极连在一起，负载电阻R与输出滤波电容C并联；

三个三相桥的三个输出电容分别记为C₁、C₂、C₃，其电容值相同，三个负载电阻分别记为R₁、R₂、R₃，其阻值相同；三组直流输出电压分别记为U_o1、U_o2、U_o3；

三个三相桥是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为：A相输入电感L_a的输出端A与A1相连，B1与A2相连，B2与B相输入电感L_b的输出端B相连，C2与B3相连，C3与C相输入电感L_c的输出端C相连，A3与C1相连。

该变换器的子单元是结构完全相同的三相电压型桥式变换器或三相电流型桥式变换器；采用的开关管为全控型器件IGBT，能量为双向流动，故该变换器可以做整流器也可以做逆变器。

由上述二级级联的三相桥式变换器拓扑的构造思路，可以得到由6个三相桥构成的三级级联的三相桥式变换器。在实际应用中，该拓扑可以通过优化控制方案进行简化，使其由5个三相桥就可以达到三级级联的效果。推而广之，m级级联的三相桥式变换器由2m-1个三相桥组成，共需要12m-6只有源开关和2m-1个输出直流电容。

本发明具有如下有益效果：

①由于本发明的三相级联型桥式变换器是通过三相输入电源的线电压间级联而构成，可使在三相电源不平衡时，三相间形成强耦合的关系以使三相间的能量可以互相补偿，从而可使每个三相桥的直流输出电压自动均衡，可以很好地克服传统的由3个单相级联H桥变换器构成的三相级联变换器三相平衡控制复杂难以实现的弱点。

②由本发明的电路结构可知，在级联级数相同(m级)时，本发明比由单相H桥构成的三相级联变换器少用6只有源开关管IGBT和m+1个输出滤波电容，从而可降低变换器制作的成本及体积。

③该变换器的控制方式灵活简单：对未进行简化的结构，由于级联在一起的每个三相桥式整流器输出的电压、电流和功率对称，故可以采用和单个电压型三相桥式变换器相同的控制方法，也可以采用更优化的控制方式。

④本发明保持了传统级联型变换器的优点：开关器件电压应力低以适合应用在高压大功率等级场合，每个变换器子单元的结构相同，容易进行模块化设计、调试、安装等。

附图说明

图1是本发明的二级级联的三相桥式变换器电路图。

图2是按照二级级联拓扑的构造思路得到的三级级联的三相桥式变换器。

图3是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图1。

图4是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图2。

图5是图2三级级联的三相桥式变换器的简化等效电路图3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式和工作原理做进一步的描述：

参见图1，本发明的自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其二级级联拓扑包含：

星形连接且不带中性线的三相输入电源u_a、u_b、u_c；

三个与每相电源串联的输入升压电感L_a、L_b、L_C，三个电感的输出端分别记为A、B、C；

三个结构完全相同的三相电压型桥式变换器，三个三相桥对应相上下桥臂的连接点分别记为A1、B1、C1，A2、B2、C2和A3、B3、C3。每个三相电压型桥式变换器由6只型号相同的IGBT S_sp、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn、6只与IGBT反并联且型号相同的二极管D、一个输出滤波电容C和电阻负载R构成。3个三相桥的3个输出电容分别记为C₁、C₂、C₃，三个负载电阻分别记为R₁、R₂、R₃，3组直流输出电压分别记为U_o1、U_o2、U_o3。

三个三相桥是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为：A相输入电感L_a的输出端A与A1相连，B1与A2相连，B2与B相输入电感L_b的输出端B相连，C2与B3相连，C3与C相输入电感L_c的输出端C相连，A3与C1相连。

为以下分析本发明的工作原理及其性能特点方便，现做如下假设：三相电源的内阻为0；所用开关器件均是理想的；各相输入升压电感和输出滤波电容相等，记为L_a＝L_b＝L_c＝L，C₁＝C₂＝C₃＝C，且不存在等效电阻；三个负载电阻阻值相等，记为R₁＝R₂＝R₃＝R。

三相桥采用二逻辑工作方式，即每时刻有分属三个桥臂的三个开关同时导通，每相上下两桥臂的开关互补运行；三个三相桥对应相的开关驱动信号相同分别记为S_A、S_B、S_C，上桥臂导通时为1，下桥臂导通时为0。

在三相输入平衡时，结合假设条件可得三个三相桥的输出电压平均值相等，设为U_o1＝U_o2＝U_o3＝U_o。再由电路连接方式可得三相桥交流侧的输入电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}=2(S_A-S_B)U_o\\ U_{\mathrm{BC}}=2(S_B-S_C)U_o\\ U_{\mathrm{CA}}=2(S_C-S_A)U_o\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1)式表明，最小的三相桥式级联变换器为二级级联的变换器。

在三相输入不平衡情况下，假设三个三相桥的输出不相等，则(1)式变为

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}=(S_A-S_B)(U_{o1}+U_{o2})\\ U_{\mathrm{BC}}=(S_B-S_C)(U_{o2}+U_{o3})\\ U_{\mathrm{CA}}=(S_C-S_A)(U_{o3}+U_{o1})\end{array}\right.---\left(2\right)$

据(2)式可得

S_A(U_o2-U_o3)+S_B(U_o3-U_o1)+S_C(U_o1-U_o2)＝0                            (3)

(3)式在任何开关组合状态下均成立，对应开关驱动信号(S_A、S_B、S_C)有8种不同的开关组合值，只要开关频率f_s远大于电源频率f，则在每一工作状态下其输入、输出量可认为是常数，从而就有U_o1＝U_o2＝U_o3。因此，在三相输入电源不平衡时，三相电源的能量变换不再是独立的，而是三相相间的功率可以互动，使每个三相桥的直流输出电压自动均衡。

故本发明提供的级联型三相桥式变换器在三相输入不平衡时，能自动实现每个三相桥的直流输出电压均衡。

参见图2，为三级级联的三相桥式变换器，按照二级级联的三相桥变换器拓扑构造的思路，三级级联的三相桥变换器可根据公式(4)得到其拓扑。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}=U_{A1B1}+U_{A2B2}+U_{A3B3}=3(S_A-S_B)U_o\\ U_{\mathrm{BC}}=U_{B3C3}+U_{B4C4}+U_{B5C5}=3(S_B-S_C)U_o\\ U_{\mathrm{CA}}=U_{C5A5}+U_{C6A6}+U_{C1A1}=3(S_C-S_A)U_o\end{array}\right.---\left(4\right)$

对图2进行进一步分析，由C、A两相间的连接方式及电位等效关系可得

U_CA＝U_C5B5+U_C4B4+U_C3A3+U_B2A2+U_B1A1＝3(S_C-S_A)U_o      (5)

由此可知，(5)式与(4)式的第三个等式等效，故可以只要在满足(4)式的前两个等式的基础上，采用优化控制方案可以用前五个三相桥就可以达到三级级联的效果。且在满足(4)式的前两个等式基础上，剩余四个桥臂的中点C1、C2、A4和A5可以有三种不同的连接方式。

参见图3，三级级联的三相桥变换器存在的第一种简化模型，C1与C2相连，A4与A5相连，其它桥臂之间的连接方式不变。

参见图4，三级级联的三相桥变换器存在的第二种简化模型，C1与A4相连，C2与A5相连，其它桥臂之间的连接方式不变。

参见图5，三级级联的三相桥变换器存在的第三种简化模型，C1与A5相连，C2与A4相连，其它桥臂之间的连接方式不变。

通过图3～5中由5个三相桥采用不同连接方式构成的三级级联拓扑，按此方法可推广得m级级联的三相H桥变换器由2(m-2)+3＝2m-1个三相桥组成，有

种不同的简化连接方式，共需要6(2m-1)＝12m-6只有源开关管和2m-1个输出电容。而由单相级联H桥构成的m级级连三相变换器需要3×4m＝12m只开关管，且其连接方式是固定的，从而级联三相桥拓扑比级联单相H桥构成的三相变换器节省了6只有源开关和m+1个输出滤波电容。

本发明利用三相输入线电压级联叠加的连接方式以降低开关管的电压应力，使该变换器适合应用在高压大功率等级场合，并且在三相电源不平衡时相间能量可互相补偿，使每个三相桥的直流输出电压自动均衡；利用三相桥桥臂之间的级联，使其比同级级联(m级)的由单相H桥级联变换器构成的三相级联变换器少用6只有源开关管和m+1个输出电容，以降低变换器的成本和体积。综上，可验证前面所述的本发明的四点有益效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属领域的技术人员来说，还可以再做出适当推演、等同变换、改进等，但在不脱离本发明构造思路的前提下，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，其二级级联拓扑包含：

星形连接且不带中性线的三相输入电源u_a、u_b、u_c；

三个与每相电源串联的输入升压电感L_a、L_b、L_c，其电感值相同，三个电感的输出端分别记为A、B、C；

三个结构完全相同的三相电压型桥式变换器，三个三相电压型桥式变换器对应相上下两桥臂的连接点分别记为A1、B1、C1，A2、B2、C2和A3、B3、C3；每个三相电压型桥式变换器由6只型号相同的IGBT S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn、6只与IGBT反并联且型号相同的二极管D、一个输出滤波电容和负载电阻构成；其中，A相上桥臂开关管S_ap的发射极与下桥臂开关管S_an的集电极相连，B相上桥臂开关管S_bp的发射极与下桥臂开关管S_bn的集电极相连，C相上桥臂开关管S_cp的发射极与下桥臂开关管S_cn的集电极相连，S_ap、S_bp和S_cp的集电极与输出滤波电容的正极连在一起，S_an、S_bn和S_cn的发射极与输出滤波电容的负极连在一起，负载电阻与输出滤波电容并联；

三个三相电压型桥式变换器的三个输出滤波电容分别记为C₁、C₂、C₃，其电容值相同，三个负载电阻分别记为R₁、R₂、R₃，其阻值相同；三组直流输出电压分别记为U_o1、U_o2、U_o3；

三个三相电压型桥式变换器是通过输入侧的线电压级联在一起的，具体连接方式为：A相输入电感L_a的输出端A与A1相连，B1与A2相连，B2与B相输入电感L_b的输出端B相连，C2与B3相连，C3与C相输入电感L_c的输出端C相连，A3与C1相连。

2.自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，对于m级级联的三相桥式变换器的各个三相桥间的级联连接方式具体为：A相输入电感L_a的输出端A与A1相连，B相输入电感L_b的输出端B与桥臂B_m相连，C相输入电感L_c的输出端C与C_2m-1相连；B_i与A_i+1相连（1≤i≤m），C_j与B_j+1相连（m≤j≤2m-1），其中记每个三相桥式变换器的每相上下桥臂的连接点分别记为Ai、Bi、Ci(i=1,2，……2m-1)。

3.根据权利要求2所述自适应三相平衡控制的级联型三相桥式变换器，其特征在于，采用优化控制方案使C_p及A_q（其中，1≤p≤m-1，m+1≤q≤2m-1）中任意两点都可互相连接，故由2m-1个三相桥式变换器可构成m级级联的三相桥式变换器，且可以有 

种不同的连接方式。 

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