专利名称：单相半桥三电平电路及变换器的制作方法
技术领域：
单相半桥三电平电路及变换器技术领域[0001]本实用新型属于电力电子领域，具体涉及一种单相半桥三电平电路及包括该电路的三电平变换器。
背景技术：
[0002]传统的I字型三电平电路如图I所示，Tl、T2、T3、T4为开关器件，DU D2、D3、D4 分别为Tl、T2、T3、T4的反并联二极管，Dl、D2、D3、D4为开关器件的体二极管。I字型三电平电路工作在单位功率因数时的模态如图2所示，图2a中，电流从M端经Tl、T2至交流输出A ;图2b中，电流从O端经T1、T2至交流输出A ;图2c中，电流从交流输出A经T3、T4至 N端；图2d中，电流从交流输出A经T3、D6至O端。I字型三电平电路工作在非单位功率因数时的模态如图3所示，图3a中，电流从交流输出A经T3、D6至O端；图3b中，电流从交流输出A经D2、D1至M端；图3c中，电流从O端经D5、T2至交流输出A ;图3d中，电流从N 端经D4、D3至交流输出A。[0003]以上模态对应的各个开关管的驱动信号如图4所示。在交流电压的第一半周，Tl 和T3的驱动信号为高频且互补，T2导通，T4关断；在交流电压的第二半周，T2和T4的驱动信号为高频且互补，T3导通，Tl关断。[0004]从上述工作模态分析以及各个开关管驱动信号可以看出，I字型三电平电路工作在单位功率因数时，T2和T3工作在工频状态，而当I字型三电平电路工作在非单位功率因数时，T2和T3工作在高频状态。因此，在同时需要单位功率因数和非单位功率因数应用的场合，选择T2和T3时，需要兼顾考虑器件的开关性能和导通性能，在目前的半导体工艺下，选择时只能折中考虑，导致在单位功率因数工作时效率不高；此外，由于T2和T3在单位功率因数和非单位功率因数时都要参与工作，损耗较大，不利于散热，减少了器件的使用寿命，降低了电路的转换效率。实用新型内容[0005]有鉴于此，本实用新型的目的在于提供解决上述技术问题的单相半桥三电平电路及包括该电路的三电平变换器，在同时需要单位功率因数和非单位功率因数应用的场合时，开关器件选择范围大，并且能够降低开关器件损耗、延长开关器件的使用寿命，并提高了整体转换效率。[0006]本实用新型提供了一种单相半桥三电平电路，包括第一直流输入端，中点电平端，第二直流输入端，依次串联在第一直流输入端和第二直流输入端之间的第一开关器件、 第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，串联连接的第五开关器件和第六开关器件， 以及串联连接的第五二极管和第六二极管；第一开关器件的第一端接第一直流输入端，第四开关器件的第二端接第二直流输入端；第五二极管的第一端和第六二极管的第二端相连后接所述中点电平端，第五二极管的第二端接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第六二极管的第一端接第三开关器件的第二端和第四开关器件的第一端；第五开关器件的第一端接第一开关器件的第二端，第六开关器件的第二端接第三开关器件的第二端；第五开关器件的第二端和第六开关器件的第一端相连，其连接点接第二开关器件的第二端和第三开关器件的第一端；第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件分别反向并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管；第五开关器件的第二端和第六开关器件的第一端的连接点作为交流输出端。[0007]进一步地，在上述单相半桥三电平电路中，第一开关器件、第四开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管，第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件均为绝缘栅双极晶体管。[0008]进一步地，上述单相半桥三电平电路具有八种工作模态，分别为第一工作模态 电流经第一直流输入端、第一开关器件、第二开关器件至交流输出端；第二工作模态电流经中点电平端、第五二极管、第二开关器件至交流输出端；第三工作模态电流经交流输出端、第三开关器件、第四开关器件至第二直流输入端；第四工作模态电流经交流输出端、 第三开关器件、第六二极管至中点电平端；第五工作模态电流经交流输出端、第六开关器件、第六二极管至中点电平端；第六工作模态电流经交流输出端、第二二极管、第一二极管至第一直流输入端；第七工作模态电流经中点电平端、第五二极管、第五开关器件至交流输出端；第八工作模态电流经第二直流输入端、第四二极管、第三二极管至交流输出端。[0009]进一步地，上述单相半桥三电平电路设置有第一开关条件和第二开关条件，在第一开关条件下，第一开关器件和第六开关器件以互补的高频脉冲信号触发动作，第二开关器件导通，第三、第四、第五开关器件关断；在第二开关条件下，第一、第二、第六开关器件关断，第三开关器件导通，第四开关器件和第五开关器件以互补的高频脉冲信号触发动作。[0010]进一步地，上述单相半桥三电平电路中，所述第一开关器件在第一开关条件下的高频脉冲信号与第四开关器件在第二开关条件下的高频脉冲信号相同；第五开关器件在第二开关条件下的高频脉冲信号与第六开关器件在第一开关条件下的高频脉冲信号相同。[0011]进一步地，上述高频脉冲信号为PWM信号。[0012]本实用新型还提供了一种三电平变换器，包括至少一个上述的单相半桥三电平电路，所述单相半桥三电平电路的第一直流输入端均接直流电源的正极，第二直流输入端均接直流电源的负极，中点电平端均接直流电源的中点电位端。[0013]进一步地，上述三电平变换器还包括分别连接在直流电源的正极与中点电位端之间以及连接在中点电位端与直流电源的负极之间的参数相同的电容。[0014]进一步地，所述每个单相半桥三电平电路的交流输出端与交流负载或电网之间连接有滤波电路。[0015]本实用新型的有益效果为通过在常规三电平电路中构造由第五开关器件和第六开关器件组成的无功支路，将有功路径和无功路径分离，开关器件的选择范围大，减小了电路的开关损耗和导通损耗并有利于器件散热，延长了器件的使用寿命，提高了电路的整体转换效率。
[0016]图I为现有技术的电路示意图；[0017]图2a_2d为图1所示电路工作于单位功率因数时的电流流向示意图；图3a_3d为图1所示电路工作于非单位功率因数时的电流流向示意图；图4为图1所示电路中开关器件的驱动信号图；图5为单相半桥三电平电路模块的示意图；图6为三电平变换器的第一实施例的一种电路不意图；图7a_7d为单相半桥三电平电路工作于单位功率因数时的电流流向示意图；图8a_8d为单相半桥三电平电路工作于非单位功率因数时的电流流向示意图图9为单相半桥三电平电路中开关器件的驱动信号示意图；图10为三电平变换器的第一实施例的另一种电路不意图；图11为三电平变换器的第二实施例的电路示意图；图12为三电平变换器的第三实施例的电路示意图。
第一直流输入端Ml 中点电平端0 第一开关器件Rn第二开关器件RT2
第四开关器件RT4第五开关器件RT11第二直流输入端N1 第三开关器件RT3 第六开关器件RT22第六二极管RD6第五二极管RD5交流输出端AC
具体实施方式
[0029]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的说明。[0030]参照图5，为本实用新型实施例公开的单相半桥三电平电路的电路示意图。所述单相半桥三电平电路包括包括第一直流输入端Ml，中点电平端0，第二直流输入端NI，依次串联在第一直流输入端Ml和第二直流输入端NI之间的第一开关器件RT1、第二开关器件 RT2、第三开关器件RT3和第四开关器件RT4，串联连接的第五开关器件RTll和第六开关器件RT22，以及串联连接的第五二极管RD5和第六二极管RD6。[0031]其中，第一开关器件RTl的第一端接第一直流输入端M1，第四开关器件RT4的第二端接第二直流输入端NI ;第五二极管RD5的第一端和第六二极管RD6的第二端相连后接所述中点电平端0，第五二极管RD5的第二端接第一开关器件RTl的第二端和第二开关器件RT2的第一端，第六二极管RD6的第一端接第三开关器件RT3的第二端和第四开关器件 RT4的第一端；第五开关器件RTll的第一端接第一开关器件RTl的第二端，第六开关器件 RT22的第二端接第三开关器件RT3的第二端；第五开关器件RTll的第二端和第六开关器件RT22的第一端相连，其连接点接第二开关器件RT2的第二端和第三开关器件RT3的第一端；第一开关器件RT1、第二开关器件RT2、第三开关器件RT3和第四开关器件RT4分别反向并联有第一二极管RD1、第二二极管RD2、第三二极管RD 3、第四二极管RD4 ;第五开关器件 RTll的第二端和第六开关器件RT22的第一端的连接点作为交流输出端AC。[0032]图5的单相半桥三电平电路可集成为芯片，第一开关器件RTl的第一端做为第一直流输入端Ml，第四开关器件RT4的第二端做为第二直流输入端NI，第五二极管RD5和第六二极管RD6的公共端做为中点电平端O。[0033]需要说明的是，第一开关器件RT1、第二开关器件RT2、第三开关器件RT3和第四开关器件RT4的反向并联二极管RD1、RD2、RD3、RD4可以是开关器件自带的二极管，也可以是独立的二极管。[0034]与现有技术相比，本实用新型通过在常规三电平电路中构造由第五开关器件RTll 和第六开关器件RT22组成的无功支路，将有功路径和无功路径分离，使得开关器件的选择范围大，减小了电路的开关损耗和导通损耗并有利于器件散热，延长了器件的使用寿命，提高了电路的整体转换效率。[0035]在上述单相半桥三电平电路中，第一开关器件RT1、第四开关器件RT4为金属氧化物半导体场效应晶体管(M0FET)，第二开关器件RT2、第三开关器件RT3、第五开关器件 RT11、第六开关器件RT22均为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。需要说明的是，第五开关器件 RT11、第六开关器件RT22均不带反并联二极管。[0036]在上述单相半桥三电平电路中，第一开关器件RTl、第四开关器件RT4的第一端为 MOFET的漏极，第一开关器件RT1、第四开关器件RT4的第二端为MOFET的源极；第二开关器件RT2、第三开关器件RT3、第五开关器件RTlI、第六开关器件RT22的第一端为IGBT的集电极，第二端为IGBT的发射极。二极管的第一端为阳极、第二端为阴极。[0037]参见图7和图8，上述单相半桥三电平电路具有八种工作模态，图7a_7d为单相半桥三电平电路工作于单位功率因数时的电流流向示意图，分别对应的是第一、第二、第三、 第四工作模态；图8a_8d为单相半桥三电平电路工作于非单位功率因数时的电流流向示意图，分别对应的是第五、第六、第七、第八工作模态；[0038]第一工作模态电流经第一直流输入端Ml、第一开关器件RT1、第二开关器件RT2 至交流输出端AC ；[0039]第二工作模态电流经中点电平端O、第五二极管RD5、第二开关器件RT2至交流输出立而AC ；[0040]第三工作模态电流经交流输出端AC、第三开关器件RT3、第四开关器件RT4至第二直流输入端NI ；[0041]第四工作模态电流经交流输出端AC、第三开关器件RT 3、第六二极管RD6至中点电平端O ;[0042]第五工作模态电流经交流输出端AC、第六开关器件RT22、第六二极管RD6至中点电平端O ;[0043]第六工作模态电流经交流输出端AC、第二二极管RD2、第一二极管RDl至第一直流输入端Ml ；[0044]第七工作模态电流经中点电平端O、第五二极管RD5、第五开关器件RTll至交流输出端AC;[0045]第八工作模态电流经第二直流输入端NI、第四二极管RD4、第三二极管RD3至交流输出端AC。[0046]图9公开了单相半桥三电平电路中开关器件的驱动信号图；上述单相半桥三电平电路设置有第一开关条件和第二开关条件，在第一开关条件下，第一开关器件RTl和第六开关器件RT22以互补的高频脉冲信号触发动作，第二开关器件RT2导通，第三开关器件 RT3、第四开关器件RT4、第五开关器件RTll关断；在第二开关条件下，第一开关器件RT1、第二开关器件RT2、第六开关器件RT22关断，第三开关器件RT3导通，第四开关器件RT4和第五开关器件RTll以互补的高频脉冲信号触发动作。[0047]需要说明的是，在本实施例中，第一开关条件对应的是交流输出电压的正半周，第二开关条件对应的是交流输出电压的负半周。[0048]进一步地，上述单相半桥三电平电路中，所述第一开关器件RTl在第一开关条件下的高频脉冲信号与第四开关器件RT4在第二开关条件下的高频脉冲信号相同；第五开关器件RTlI在第二开关条件下的高频脉冲信号与第六开关器件RT22在第一开关条件下的高频脉冲信号相同。[0049]具体的，上述高频脉冲信号为PWM信号，比如可以是几KHZ至几十KHZ之间范围内的脉冲信号。实际中脉冲信号可由正弦调制波与载波比较生成。[0050]与现有技术相比，本实用新型单相半桥三电平电路的工作在高频的第一开关器件 RTl和第四开关器件RT4选用开关性能较好的M0SFET，工作在工频的第二开关器件RT2和第三开关器件RT3选用导通性能较好的IGBT ;并且构造由第五开关器件RTll和第六开关器件RT22组成的无功支路，第五开关器件RTll和第六开关器件RT22选用导通性能较好的IGBT，使得在要求单相半桥三电平电路运行在非单位功率因数的场合时，无功电流不再流经第二开关器件RT2和第三开关器件RT3，而是流经第五开关器件RTll和第六开关器件 RT22，从而将有功路径和无功路径有效的分离，使得开关器件的选择范围大，减小了电路的开关损耗和导通损耗并有利于开关器件散热，延长了开关器件的使用寿命，提高了电路的整体转换效率。[0051]本实用新型还公开了应用上述单相半桥三电平电路的三电平变换器，图6给出了三电平变换器的第一实施例的电路示意图，包括一个上述的单相半桥三电平电路，单相半桥三电平电路的第一直流输入端Ml接直流电源的正极，第二直流输入端NI接直流电源的负极，中点电平端O接直流电源的中点电位端。直流电源的中点电位通过分别在第一直流输入端Ml和中点电平端O之间、中点电平端O和第二直流输入端NI之间接入电压相同的电压源VI、V2来构造。电网或交流负载接在单相半桥三电平电路的交流输出端AC与中点电平端O之间。[0052]参见图10，上述两个电压相同的电压源V1、V2也可以通过两个参数相同的电容来实现，即图10中第一电容Cl和第二电容C2。[0053]进一步地，请一并参见图6和图10，该单相半桥三电平电路的交流输出端AC与交流负载或电网之间连接有滤波电路。所述滤波电路包括第一电感LI，实际还可以为LC或 LCL形式的滤波电路。[0054]该三电平变换器的工作模态与单相半桥三电平电路的工作模态相同，此处不再赘述。[0055]图11给出了三电平变换器的第二实施例的电路示意图，包括两个上述的单相半桥三电平电路，即第一单相半桥三电平电路和第二单相半桥三电平电路，所述第一、第二单相半桥三电平电路的第一直流输入端Ml均接直流电源的正极、第二直流输入端NI均接直流电源的负极、中点电平端O均接直流电源的中点电位端。直流电源的中点电位通过分别在第一直流输入端Ml和中点电平端O之间、中点电平端O和第二直流输入端NI之间接入电压相同的电压源Vl、V2来构造。电网或交流负载接在第一单相半桥三电平电路和第二单相半桥三电平电路的交流输出端AC之间。其余同三电平变换器的第一实施例。[0056]图12给出了三电平变换器的第三实施例的电路示意图，包括三个上述的单相半桥三电平电路，即第一单相半桥三电平电路、第二单相半桥三电平电路和第三单相半桥三电平电路，所述单相半桥三电平电路的第一直流输入端Ml均接直流电源的正极，第二直流输入端NI均接直流电源的负极，中点电平端O均接直流电源的中点电位端。直流电源的中点电位通过分别在第一直流输入端Ml和中点电平端O之间、中点电平端O和第二直流输入端NI之间接入电压相同的电压源VI、V2来构造。第一、第二、第三单相半桥三电平电路的交流输出端AC接三相电网或交流负载。其余同三电平变换器的第一实施例。[0057]与现有技术相比，上述三电平变换器通过在常规三电平电路中构造由第五开关器件RTll和第六开关器件RT22组成的无功支路，将有功路径和无功路径分离，开关器件的选择范围大，减小了电路的开关损耗和导通损耗并有利于器件散热，延长了器件的使用寿命，提闻了电路的整体转换效率。[0058]显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
权利要求1.一种单相半桥三电平电路，其特征在于包括第一直流输入端、中点电平端、第二直流输入端、第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件，以及第五二极管和第六二极管； 第一开关器件的第一端接第一直流输入端，第四开关器件的第二端接第二直流输入端; 第五二极管的第一端和第六二极管的第二端相连后接所述中点电平端，第五二极管的第二端接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第六二极管的第一端接第三开关器件的第二端和第四开关器件的第一端； 第五开关器件的第一端接第一开关器件的第二端，第六开关器件的第二端接第三开关器件的第二端；第五开关器件的第二端和第六开关器件的第一端相连，其连接点接第二开关器件的第二端和第三开关器件的第一端； 第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件分别反向并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管； 第五开关器件的第二端和第六开关器件的第一端的连接点作为交流输出端。
2.根据权利要求I所述的单相半桥三电平电路，其特征在于所述第一开关器件、第四开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管，第二开关器件、第三开关器件、第五开关器件、第六开关器件均为绝缘栅双极晶体管。
3.根据权利要求I或2所述的单相半桥三电平电路，其特征在于包括八种工作模态，分别为 第一工作模态电流经第一直流输入端、第一开关器件、第二开关器件至交流输出端； 第二工作模态电流经中点电平端、第五二极管、第二开关器件至交流输出端； 第三工作模态电流经交流输出端、第三开关器件、第四开关器件至第二直流输入端； 第四工作模态电流经交流输出端、第三开关器件、第六二极管至中点电平端； 第五工作模态电流经交流输出端、第六开关器件、第六二极管至中点电平端； 第六工作模态电流经交流输出端、第二二极管、第一二极管至第一直流输入端； 第七工作模态电流经中点电平端、第五二极管、第五开关器件至交流输出端； 第八工作模态电流经第二直流输入端、第四二极管、第三二极管至交流输出端。
4.根据权利要求I或2所述的单相半桥三电平电路，其特征在于在交流输出电压的正半周，第一开关器件和第六开关器件以互补的高频脉冲信号触发动作，第二开关器件导通，第三、第四、第五开关器件关断；在交流输出电压的负半周，第一、第二、第六开关器件关断，第三开关器件导通，第四开关器件和第五开关器件以互补的高频脉冲信号触发动作。
5.根据权利要求4所述的单相半桥三电平电路，其特征在于所述第一开关器件在第一开关条件下的高频脉冲信号与第四开关器件在第二开关条件下的高频脉冲信号相同；第五开关器件在第二开关条件下的高频脉冲信号与第六开关器件在第一开关条件下的高频脉冲信号相同。
6.一种三电平变换器，其特征在于包括至少一个权利要求I至5中任意一项所述的单相半桥三电平电路，所述单相半桥三电平电路的第一直流输入端均接直流电源的正极，第二直流输入端均接直流电源的负极，中点电平端均接直流电源的中点电位端。
7.根据权利要求6所述的三电平变换器，其特征在于所述直流电源的中点电位端通过分别在第一直流输入端和中点电平端之间、中点电平端和第二直流输入端之间接入电压相同的电压源来构造。
8.根据权利要求7所述的三电平变换器，其特征在于所述电压相同的电压源为参数相同的电容。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的三电平变换器，其特征在于，所述每个单相半桥三电平电路的交流输出端与交流负载或电网之间连接有滤波电路。
专利摘要本实用新型公开了一种单相半桥三电平电路，包括第一直流输入端，中点电平端，第二直流输入端，依次串联在第一直流输入端和第二直流输入端之间的第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，串联连接的第五开关器件和第六开关器件，以及串联连接的第五二极管和第六二极管；第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件分别反向并联有二极管；第五开关器件的第二端和第六开关器件的第一端的连接点作为交流输出端。本实用新型还公开了具有该单相半桥三电平电路的三电平变换器，在同时需要单位功率因数和非单位功率因数应用的场合时，开关器件选择范围大，并且能够降低开关器件损耗、延长开关器件的使用寿命，并提高了整体转换效率。
文档编号H02M7/483GK202818142SQ20122031497
公开日2013年3月20日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者刘鑫, 申潭, 张彦虎, 薛丽英, 邓君 申请人:阳光电源(上海)有限公司