一种五电平逆变单元的制作方法

本发明涉及电能变换
技术领域：
，特别是涉及一种五电平逆变单元。
背景技术：
：电能变换器系统是将一种形式的电能变换成另一种形式的电能，多电平变换器因其输出电平多，输出电压波形更接近正弦波，输出谐波少，在开关管耐压值相同的条件下可以获得更高输出电压，能够满足大容量、高性能的要求。由于多电平变换器中高压、大容量变流器的以上优势，在很多工业领域得到实际生产应用。中点有源箝位五电平变流器拓扑如图1所示，为使每个开关管承受的关断电压均为直流母线的1/4，第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、第四开关支路均为两个开关管的串联支路。由于开关管的杂散参数影响，标称值相同的开关管所承受的电压应力也是不同的。在两个零电平开关状态切换时，串联开关管需要同时动作，在动作过程中产生动态均压不平衡的问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的是提供一种五电平逆变单元。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种五电平逆变单元，用于直流侧与交流侧能量交换，其特征在于：该五电平变流器拓扑包括第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、第四开关支路，一个悬浮箝位电容cf1、第一辅助换向支路、第二辅助换向支路、直流侧第一电容c1和直流侧第二电容c2；所述第一开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s1a、s1b，开关管s1a、s1b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第二开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s2a、s2b、s5、s6，开关管s2a、s2b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第三开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s3a、s3b、s7、s8，开关管s3a、s3b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第四开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s4a、s4b，开关管s4a、s4b分别并联一个静态均压电阻rs；开关管s1a的第一端与直流侧第一电容c1第一端连接，开关管s1a的第二端与开关管s1b的第一端连接，开关管s1b的第二端分别与第二辅助换向支路第一端、开关管s2b的第一端、开关管s5第一端连接；开关管s2a的第二端与直流侧第一电容第二端连接，开关管s2a的第一端分别与开关管s2b第二端、第一辅助换向支路的第一端连接，开关管s2b的第一端分别与开关管s1b的第二端、开关管s5第一端、第二辅助换向支路的第一端连接，开关管s5的第二端分别与开关管s6的第一端、悬浮箝位电容cf1的第一端连接，开关管s6的第一端与悬浮箝位电容cf1的第一端连接；开关管s3a的第一端分别与直流侧第一电容c1的第二端、直流侧第二电容c2的第一端连接，开关管s3a的第二端分别与开关管s3b第一端、第一辅助换向支路的第二端连接，开关管s3b的第二端分别与第二辅助换向支路第二端、开关管s8第二端、开关管s4b的第一端连接；开关管s8的第一端分别与开关管s7的第二端、悬浮箝位电容cf1的第二端连接，开关管s7的第一端与开关管s6的第二端连接；开关管s4a的第二端与直流侧第二电容c2的第二端连接，开关管s4a的第一端与开关管s4b第二端连接，开关管s4b的第一端分别与第二辅助换向支路第二端、开关管s3b的第二端、开关管s8第二端连接。进一步，所述第一辅助换向支路为换向电容ca1。进一步，所述第二辅助换向支路包括辅助换向二极管da、放电电阻ra和辅助换向电容ca2，辅助换向二极管da的正向输入端分别与开关管s1b的第二端、开关管s2b的第一端、开关管s5的第一端连接，辅助换向二极管da的反向输入端与辅助换向电容ca2串联，放电电阻ra与辅助换向二极管da并联。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的有益技术效果：在本发明提供的一种有源箝位五电平逆变单元，由于在电路中加入了辅助换向支路，通过辅助换向电路经过合理的切换方法，使串联管支路零电压开通和关断。解决了串联管的动态均压问题，并且辅助换向电路体积小、成本低。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：图1为现有有源中点箝位五电平变流器拓扑单元；图2为本发明提供的一种五电平逆变单元；图3为本发明提供的五电平逆变单元八个电平切换示意图；图4为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第一工作模态拓扑图；图5为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第二工作模态拓扑图；图6为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第三工作模态拓扑图；图7为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第四工作模态拓扑图；图8为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第五工作模态拓扑图；图9为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第六工作模态拓扑图；图10为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第一种可能的第七工作模态拓扑图；图11为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第一工作模态拓扑图；图12为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第二工作模态拓扑图；图13为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第三工作模态拓扑图；图14为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第四工作模态拓扑图；图15为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第五工作模态拓扑图；图16为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第六工作模态拓扑图；图17为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例一第二种可能的第七工作模态拓扑图；图18为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第一工作模态拓扑图；图19为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第二工作模态拓扑图；图20为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第三工作模态拓扑图；图21为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第四工作模态拓扑图；图22为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第五工作模态拓扑图；图23为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第六工作模态拓扑图；图24为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第一种可能的第七工作模态拓扑图；图25为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第一工作模态拓扑图；图26为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第二工作模态拓扑图；图27为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第三工作模态拓扑图；图28为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第四工作模态拓扑图；图29为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第五工作模态拓扑图；图30为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第六工作模态拓扑图；图31为本发明提供的五电平逆变单元处于实施例二第二种可能的第七工作模态拓扑图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。参考图2，本发明提供的一种五电平逆变单元，包括第一开关支路、第二开关支路、第三开关支路、第四开关支路，一个悬浮箝位电容cf1、八个静态均压电阻rs、第一辅助换向支路、第二辅助换向支路、直流侧第一电容ca1、直流侧第二电容ca2。所述第一开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s1a、s1b，开关管s1a、s1b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第二开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s2a、s2b、s5、s6，开关管s2a、s2b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第三开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s3a、s3b、s7、s8，开关管s3a、s3b分别并联一个静态均压电阻rs；所述第四开关支路包括：带有反并联二极管的开关管s4a、s4b，开关管s4a、s4b分别并联一个静态均压电阻rs；开关管s1a的第一端与直流侧第一电容c1第一端连接，开关管s1a的第二端与开关管s1b的第一端连接，开关管s1b的第二端分别与第二辅助换向支路第一端、开关管s2b的第一端、开关管s5第一端连接；开关管s2a的第二端与直流侧第一电容第二端连接，开关管s2a的第一端分别与开关管s2b第二端、第一辅助换向支路的第一端连接，开关管s2b的第一端分别与开关管s1b的第二端、开关管s5第一端、第二辅助换向支路的第一端连接，开关管s5的第二端分别与开关管s6的第一端、悬浮箝位电容cf1的第一端连接，开关管s6的第一端与悬浮箝位电容cf1的第一端连接；开关管s3a的第一端分别与直流侧第一电容c1的第二端、直流侧第二电容c2的第一端连接，开关管s3a的第二端分别与开关管s3b第一端、第一辅助换向支路的第二端连接，开关管s3b的第二端分别与第二辅助换向支路第二端、开关管s8第二端、开关管s4b的第一端连接；开关管s8的第一端分别与开关管s7的第二端、悬浮箝位电容cf1的第二端连接，开关管s7的第一端与开关管s6的第二端连接；开关管s4a的第二端与直流侧第二电容c2的第二端连接，开关管s4a的第一端与开关管s4b第二端连接，开关管s4b的第一端分别与第二辅助换向支路第二端、开关管s3b的第二端、开关管s8第二端连接。在本发明中，开关管的第一端即开关管集电极、第二极为开关管的发射极，电容的第一端为正极，第二端为负极。直流侧第一电容两端电压为2vdc，直流侧第二电容两端电压为2vdc，第一辅助换向支路为小容量辅助换向电容ca1，通过静态均压电阻建立其端电压为vdc。第二辅助换向支路包括辅助换向二极管da，ra是辅助换向电容ca2的放电电阻。所述第二辅助换向支路包括辅助换向二极管da、放电电阻ra和辅助换向电容ca2，辅助换向二极管da的正向输入端分别与开关管s1b的第二端、开关管s2b的第一端、开关管s5的第一端连接，辅助换向二极管da的反向输入端与辅助换向电容ca2串联，放电电阻ra与辅助换向二极管da并联。该辅助换向支路中电容端电压由静态均压电阻完成，其端电压为2vdc。其中，本发明提供的五电平变流器拓扑，在实现交流电与直流电的交换时，包括八个开关工作状态，开关状态的切换过程经过综合考虑开关频率及实现的难易程度等因素，最终确定为如图3所示的过程，每次切换都只允许跳变一个电平。v0开关状态：第二开关支路、第四开关支路、开关管s7、开关管s8导通，其余开关管截止，输出电平为-2vdc。v1开关状态：第二开关支路、第四开关支路、开关管s6、开关管s8导通，其余开关管截止，输出电平为-vdc。v2开关状态：第二开关支路、第四开关支路、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管截止，输出电平为-vdc。v3开关状态：第二开关支路、第四开关支路、开关管s5、开关管s6导通，其余开关管截止，输出电平为0。v4开关状态：第一开关支路、第三开关支路、开关管s7、开关管s8导通，其余开关管截止，输出电平为0。v5开关状态：第一开关支路、第三开关支路、开关管s6、开关管s8导通，其余开关管截止，输出电平为+vdc。v6开关状态：第一开关支路、第三开关支路、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管截止，输出电平为+vdc。v7开关状态：第一开关支路、第三开关支路、开关管s5、开关管s6导通，其余开关管截止，输出电平为+2vdc。本申请提供的五电平逆变单元，在实现单相或多相应用时在保证为电流提供通路的同时，通过辅助换向电路经过合理的控制策略，保证整个变换器中的开关管在切换过程中，承受至多为输入直流的1/4电压，辅助换向支路均为无源器件，体积小、成本低。本发明提供的五电平逆变单元，在实现开关状态v3<->v4的切换中，为解决串联管的均压问题，分7个状态进行开关状态v3<->v4的切换；下面结合图2对所提供的五电平变流器两个零电平切换进行详细分析。零电平切换的第一种切换模式，变流器处于v3零电平状态，交流侧电流流入变流器，零电平v3状态向零电平v4状态变换过程七个工作模态为；m1状态：请参阅图4，变流器处于v3零电平状态，第二开关支路、第四开关支路导通，开关管s5、s6导通，其它开关管截止。电流流通路径为开关管s5、s6、第二开关支路；m2状态：请参阅图5，第四开关支路开关管断开，第四开关支路开关管零电压、零电流截止，电流流通路径为开关管s5和s6、第二开关支路；m3状态：请参阅图6，开关管s2a、s6关断，开关管s3a的反并联二极管自然导通，电流流通路径为开关管s6的反并联二极管、开关管s5、开关管s2b、开关管s3a的反并联二极管；m4状态：请参阅图7，第开关管s3a、s7导通，开关管s3a零电压导通，开关管s6的反向二极管承受反压自然关断，电流流通路径为开关管s7、开关管s5、开关管s2b、开关管s3a；m5状态：请参阅图8，开关管s2b、s5截止，开关管s5零电压关断，开关管s3b的反并联二极管自然导通，电流流通路径为开关管s7、开关管s5的反并联二极管、辅助换向二极管da、开关管s3b的反并联二极管、开关管s3a；m6状态：请参阅图9，开关管s3b零电压导通，开关管s8导通，开关管s5反并联二极管承受反向电压自然关断，电流流通路径为开关管s7、开关管s8、第三开关支路；m7状态：请参阅图10，开关管s1a与s1b零电压、零电流导通，电流流通路径为开关管s7、开关管s8、第三开关支路。完成零电平v3状态向零电平v4状态变换。各变量在切换过程中的电压值变化如下表所示：m1m2m3m4m5m6m7uo00+vdc0+vdc00us1avdcvdcvdc/2vdc/2000us1bvdcvdcvdc/2vdc/2000us4a00vdc/2vdc/2vdcvdcvdcus4b00vdc/2vdc/2vdcvdcvdc以上切换过程中m1->m2切换与m6->m7的切换，s1与s4都是在零电压、零电流的情况下进行的，在其余状态切换中s1与s4串联管中也没有电流通过，只存在静态均压问题，没有动态均压问题。零电平切换的第二种切换模式，变流器处于v3零电平状态，交流侧电流流出变流器，零电平v3状态向零电平v4状态变换过程七个工作模态为：m1状态：请参阅图11，变流器处于v3零电平状态，第二开关支路、第四开关支路、开关管s5、s6导通，其它开关管截止。电流流通路径为第二开关支路、开关管s5、开关管s6；m2状态：请参阅图12，开关管s4a与开关管s4b零电压、零电流关断，其它开关管维持原状态不变，电流流通路径为第二开关支路、开关管s5、开关管s6；m3状态：请参阅图13，开关管s2a、s6关断，开关管s7的反向二极管自然导通，电流流通路径为开关管s2a的反并联二极管、开关管s2b、开关管s5、开关管s7的反并联二极管；m4状态：请参阅图14开关管s3a、s7导通，开关管s7零电压导通，开关管s2a的反并联二极管承受vdc的反向压降自然关断。电流流通路径为开关管s3a、开关管s2b、开关管s5、开关管s7；m5状态：请参阅图15，开关管s2b零电压关断，开关管s5截止，开关管s8的反并联二极管自然导通，电流流通路径为开关管s3a、开关管s2b的反并联二极管、辅助换向二极管da、开关管s8的反并联二极管、开关管s7；m6状态：请参阅图16，开关管s3b导通，开关管s8零电压导通，开关管s2b的反向并联二极管自然关断，电流流通路径为第三开关支路、开关管s8、开关管s7；m7状态：请参阅图17，第一开关支路中开关管s1a与s1b零电压、零电流导通，电流流通路径为电流流通路径为第三开关支路、开关管s8、开关管s7。完成零电平v3状态向零电平v4状态变换。各变量在切换过程中的电压值变化如下表所示：m1m2m3m4m5m6m7uo00-vdc0-vdc00us1avdcvdcvdcvdc/2vdc/200us1bvdcvdcvdcvdc/2vdc/200us4a000vdc/2vdc/2vdcvdcus4b000vdc/2vdc/2vdcvdc以上切换过程中m1->m2切换与m6->m7的切换，s1与s4都是在零电压、零电流的情况下进行的，在其余状态切换中s1与s4串联管中也没有电流通过，只存在静态均压问题，没有动态均压问题。零电平切换的第三种切换模式，变流器处于v4零电平状态，交流侧电流流入变流器，零电平v4状态向零电平v3状态变换过程七个工作模态为：m1状态：请参阅图18，变流器处于v4零电平状态，第一开关支路、第三开关支路、开关管s7、s8导通，其它开关管截止。电流流通路径为开关管s7、开关管s8、第三开关支路；m2状态：请参阅图19，开关管s1a与开关管s1b零电压、零电流关断，其它开关管维持原状态不变，电流流通路径为开关管s7、开关管s8、第三开关支路；m3状态：请参阅图20，开关管s3a、s7关断，开关管s6的反向二极管自然导通，电流流通路径为开关管s6的反并联二极管、开关管s8、开关管s3b、开关管s3a的反并联二极管；m4状态：请参阅图21，开关管s2a、s6导通，开关管s6零电压导通，开关管s3a的反并联二极管承受vdc的反向压降自然关断。电流流通路径为开关管s6、开关管s8、二开关管s3b、开关管s2a；m5状态：请参阅图22，开关管s3b零电压关断，开关管s8截止，开关管s5的反并联二极管自然导通，电流流通路径为开关管s6、开关管s5的反并联二极管、辅助换向二极管da、开关管s3b的反并联二极管、开关管s2a；m6状态：请参阅图23，开关管s2b导通，开关管s5零电压导通，开关管s3b的反向并联二极管自然关断。电流流通路径为开关管s6、开关管s5、第二开关支路；m7状态：请参阅图24，第一开关支路中开关管s4a与s4b零电压、零电流导通，电流流通路径为开关管s6、开关管s5、第二开关支路。完成零电平v4状态向零电平v3状态变换。各变量在切换过程中的电压值变化如下表所示：m1m2m3m4m5m6m7uo00+vdc0+vdc00us1a000vdc/2vdc/2vdcvdcus1b000vdc/2vdc/2vdcvdcus4avdcvdcvdcvdc/2vdc/200us4bvdcvdcvdcvdc/2vdc/200以上切换过程中m1->m2切换与m6->m7的切换，s1与s4都是在零电压、零电流的情况下进行的，在其余状态切换中s1与s4串联管中也没有电流通过，只存在静态均压问题，没有动态均压问题。零电平切换的第四种切换模式变流器处于v4零电平状态，交流侧电流流出变流器，零电平v4状态向零电平v3状态变换过程七个工作模态为：m1状态：请参阅图25，变流器处于v4零电平状态，第一开关支路、第三开关支路、开关管s7、s8导通，其它开关管截止。电流流通路径为第三开关支路、开关管s8、开关管s7；m2状态：请参阅图26，开关管s1a与开关管s1b零电压、零电流关断，其它开关管维持原状态不变，电流流通路径为第三开关支路、开关管s8、开关管s7；m3状态：请参阅图27，开关管s3a、s7关断，开关管s2a的反向二极管自然导通，电流流通路径为开关管s2a的反并联二极管、开关管s3b、开关管s8、开关管s7的反并联二极管；m4状态：请参阅图28，开关管s2a、s6导通，开关管s2a零电压导通，开关管s7的反并联二极管承受vdc的反向压降自然关断，电流流通路径为开关管s2a、开关管s3b、开关管s8、开关管s6；m5状态：请参阅图29，开关管s8零电压关断，开关管s3b截止，开关管s2a的反并联二极管自然导通，电流流通路径为开关管s2a、开关管s2b的反并联二极管、辅助换向二极管da、开关管s8的反并联二极管、开关管s6；m6状态：请参阅图30，开关管s5导通，开关管s2a零电压导通，开关管s8的反向并联二极管自然关断，电流流通路径为第二开关支路、开关管s5、开关管s6；m7状态：请参阅图31，第一开关支路中开关管s4a与s4b零电压、零电流导通，电流流通路径为第二开关支路、开关管s5、开关管s6。完成零电平v4状态向零电平v3状态变换。各变量在切换过程中的电压值变化如下表所示：m1m2m3m4m5m6m7uo00-vdc0-vdc00us1a00vdc/2vdc/2vdcvdcvdcus1b00vdc/2vdc/2vdcvdcvdcus4avdcvdcvdc/2vdc/2000us4bvdcvdcvdc/2vdc/2000以上切换过程中m1->m2切换与m6->m7的切换，s1与s4都是在零电压、零电流的情况下进行的，在其余状态切换中s1与s4串联管中也没有电流通过，只存在静态均压问题，没有动态均压问题。外侧串联管即第一开关支路和第四开关支路要先关断后开通，并满足以上控制要求即可解决外侧串联管的动态均压问题。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页12